Слабое квантовое измерение, или Реанимация для кота Шрёдингера

в 6:50, , рубрики: квантовая криптография, квантовая механика, кот шредингера, Научно-популярное, телепортация, метки: , , ,

Слабое квантовое измерение, или Реанимация для кота ШрёдингераСегодня, блуждая по просторам интернетов, я наткнулся на описание одного эксперимента группы американских учёных под руководством Надава Каца, которые смогли отменить коллапс волновой функции кубита, тем самым подтвердив теорию Александра Короткова и Эндрю Джордана.

Пока научное сообщество очень настороженно отнеслось к этому результату; однако, если теория Короткова-Джордана верна (а она, кажется, верна), то это приведёт к революции сначала в квантовой механике, потом в современной физике, а потом просто перевернёт мир. Именно так.

Сейчас попробую объяснить, почему.

Я думаю, все мы хорошо знаем мысленный эксперимент с котом Шрёдингера. Напомню, на всякий случай: в закрытую коробку помещается кот, ампула с ядом и нестабильное ядро, которое распадётся в ближайший час с вероятностью 50%. При этом, если ядро распадётся — ампула с ядом откроется и кот умрёт.

С точки зрения квантовой механики (точнее, копенгагенской интерпретации квантовой механики), пока мы не открыли крышку и не проверили состояние кота, он будет находиться в суперпозиции обоих состояний — и жив, и мёртв одновременно. В момент же измерения состояния кота произойдёт т.н. коллапс волновой функции — система выберет одно из двух возможных состояний, и кот будет либо жить дальше, либо безвозвратно умрёт.

Вообще, любая квантовая система находится в суперпозиции всех своих возможных состояний до тех пор, пока не произойдёт измерение и она примет одно из возможных состояний.

И вот, в 2006 году Коротков и Джордан публикуют статью с заголовком «Uncollapsing the wave function by undoing quantum measurements», что на русский можно примерно перевести как «Отмена коллапса волновой функции посредством отмены квантового измерения».

Смысл её заключается в следующем: хорошо, прямое измерение состояния системы приведёт к коллапсу волновой функции и выбору какого-то из состояний. Но, допустим, что мы сможем измерить состояние системы не напрямую, а с помощью т.н. слабого измерения (weak measurment) — такого измерения, при котором измерительный прибор слабо взаимодействует с измеряемым объектом и полного коллапса волновой функции не происходит. Тогда, по мысли Короткова и Джордана, мы можем не просто измерить непрямо состояние, но и сделать это несколько раз; при этом, если результат эксперимента нас не устраивает, мы можем вернуть систему обратно и попробовать ещё раз.

Если применить теорию Короткова-Джордана к коту Шрёдингера, то это будет выглядеть примерно так: мы можем не открывать коробку, а немножко приоткрыть её и глянуть одним глазком; если мы увидим, что кот мёртв, мы можем закрыть коробку, подождать какое-то время, глянуть снова и увидеть кота живым!

Звучит бредово и фантастически, однако в 2008 году Надав Кац и его группа сумела провести эксперимент, в котором фактически выполнила подобную последовательность действий.

Группа Каца поместила кубит в состояние суперпозиции из его обоих состояний — высоко- и низкоэнергетического. Любая попытка напрямую измерить энергию кубита привела бы к коллапсу волновой функции и переходу кубита в одно из двух состояний.

Далее, происходило следующее: с помощью слабого измерения магнитных полей команда Каца получала информацию о состоянии кубита (0 или 1). При этом кубит частично коллапсировал в сторону измеренного состояния. Если это состояние оказывалось нулевым, проводилась процедура «отмены коллапса» Короткова-Джордана: кубит получал магнитный импульс, который переводил его в строго противоположное состояние, после чего производилось точно такое же слабое измерение его состояния. Результатом этих трёх операций (слабое измерение состояния 1 — реверс — слабое измерение состояния 2) стал перевод кубита в точно такое же состояние неопределённости, в котором он был до всех этих манипуляций (т.е. два измерения фактически отменяют влияние друг друга). Иными словами, ученые измеряли состояние «кота», и, если он был мёртв, опять возвращали его в состояние неопределённости.

Вот подробное описание эксперимента, если кто-то не верит: оригинал, статья на русском.

Поговорим теперь о том, к каким последствиям это потенциально может привести.

Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена

В 1935 году Эйнштейн с группой единомышленников, пытаясь оспорить копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, сформулировал парадокс, названный позднее парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена (ERP paradox).

Соотношение неопределённостей Гейзенберга гласит, что нельзя измерить абсолютно точно и положение, и импульс квантовой системы. Хорошо, сказал Эйнштейн, а если мы возьмём систему из двух идентичных частиц, и измерим у одной из них импульс, а у другой положение — мы же нарушим принцип неопределённости?

Как оказалось, нет. Измерение состояния одной из «запутанных» частиц приводило к коллапсу состояния другой частицы, как бы далеко они друг от друга не находились. Это явление было неоднократно подтверждено экспериментально — в самом сильном эксперименте частицы находились на расстоянии 144 километра друг от друга.

Благодаря квантовой спутанности стала возможна т.н. квантовая криптография. Допустим, у Анны и Бориса есть коробка спутанных фотонов. Они уезжают в разные страны, каждый увозя с собой по половине фотонов. Далее, Анна измеряет состояние первого фотона. Его пара в коробке Бориса автоматически принимает то же состояние. Т.о. можно сформировать ключ шифрования, который одновременно будут знать только Анна и Борис. Далее, этим ключом шифруется сообщение и пересылается.

Хотя коллапс спутанных частиц происходит моментально, передача информации, как считалось до недавнего времени, таким образом невозможна, т.к. Анна не имеет возможности повлиять на выбор состояния своим фотоном. Но Коротков и Джордан предложили, а группа Каца экспериментально проверила, что такая возможность таки есть!

Если бы у Анны и Бориса была коробка спутанных кубитов, то Анна с помощью процедуры отмены коллапса волновой функции могла бы «доставать» из коробки первый кубит сколько угодно раз, пока он, наконец, не примет именно то состояние, которое нужно Анне. Кубит Бориса при этом примет ровно то же состояние — получается, Анна передаёт Борису информацию МГНОВЕННО.

А ведь мгновенная передача информации — только вершина айсберга. По смыслу теории Короткова-Джордана, мы можем отменить результаты любого эксперимента (пока, правда, с оговоркой «квантового»), если он нас не устраивает, и попробовать ещё раз — да вообще, сколько угодно раз, пока не получим приемлемый результат.

Фактически, если описанные выше рассуждения действительно можно воспроизвести, то мы стоим где-то на грани совершенно невероятных изменений в физике, которые потом до неузнаваемости изменят всю нашу жизнь.

Автор: forgotten

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля