Fizikai sukūrė kvantinę mechaniką, kad apibūdintų pasaulio, kuriame gyvena mikroobjektai, dėsnius. Tačiau šie dėsniai pasirodė tokie paslaptingi ir prieštaringi, kad mokslininkai vis dar supranta kai kuriuos jų aspektus. Artiomas Koržimanovas, fizinių ir matematikos mokslų kandidatas, Rusijos mokslų akademijos Taikomosios fizikos instituto vyresnysis mokslo darbuotojas, mokslo populiarinimo tinklaraščio physh.ru autorius, pasakoja apie naujausius darbus, skirtus kvantinės superpozicijos reiškinio tyrimams.

Kvantinė superpozicija – kvantinės mechanikos pagrindas

Kvantinė mechanika, atsiradusi XX amžiaus pradžioje ir subrendusi 1930-aisiais, dabar yra gerai patikrinta ir itin sėkminga fizinė teorija. Mūsų civilizacija neįsivaizduojama be techninių pasiekimų, kurie jai priklauso. Užtenka paminėti, kad kompiuteris, nešiojamas kompiuteris ar išmanusis telefonas, su kuriuo skaitote šį tekstą, niekada nebūtų buvę sukurti, jei nebūtų kvantinės mechanikos.

Tačiau mokslininkai už šiuos pasiekimus turėjo sumokėti didelę kainą, nes kvantinės teorijos principai taip prieštarauja mūsų intuicijai, kad net stipriausi žmonijos protai išmetė baltą vėliavą, bandydami pateikti jiems bet kokią interpretaciją, kuri būtų kitokia. iš garsiosios frazės, priskiriamos Richardui Feynmanui arba Davidui Merminui: „Užsičiaupk ir skaičiuok!

Vienas iš tokių paradoksalių principų yra kvantinės superpozicijos principas. Apskritai superpozicijos principas mums visiems puikiai pažįstamas, nors kasdieniame gyvenime jo taip ir nepavadinsime. Paprastai superpozicija suprantama kaip paprastas stebėjimas: jei vienas veiksmas veda prie vieno rezultato, o antras veiksmas veda prie antrojo, tai jų bendras veiksmas duos abu rezultatus. Pavyzdžiui, jei jūs perkate obuolį, o jūsų draugas perka obuolį, tada kartu pirksite du obuolius. Superpozicijos principas, žinoma, ne visada išsipildo: jei parduotuvėje liko parduoti tik vieną obuolį, tai jūs ir jūsų draugas niekada nepirksite dviejų obuolių, nors galėtumėte nusipirkti obuolį atskirai.

Tačiau kvantinė superpozicija labai skiriasi nuo klasikinės superpozicijos. Kvantinėje teorijoje mes kalbame ne apie veiksmų, o apie būsenų superpoziciją. Pavyzdžiui, jei turite dvi dėžes, tada elektronas gali būti vienoje ar kitoje iš jų, bet taip pat paaiškėja, kad jis gali būti šių dviejų būsenų superpozicijoje - tai yra tam tikra prasme abiejose dėžutėse tuo pačiu metu. Šis visai mūsų kasdienei patirčiai prieštaraujantis faktas ne kartą buvo patvirtintas įvairiais eksperimentais ne tik su elektronais, bet ir su didesniais objektais iki gana makroskopinių superlaidžių metalinių žiedų, kuriuose srovė vienu metu teka ir pagal laikrodžio rodyklę, ir prieš laikrodžio rodyklę.

Dvigubo plyšio eksperimentas

Klasikinis pavyzdys, parodantis kvantinės superpozicijos reiškinį, yra dvigubo plyšio eksperimentas. Šis eksperimentas yra toks svarbus kvantinės mechanikos supratimui, kad garsus fizikas Richardas Feynmanas savo ne mažiau garsiose Feynmano fizikos paskaitose jį vadina reiškiniu, „kurio neįmanoma, visiškai, visiškai neįmanoma paaiškinti klasikiniu būdu. Šiame reiškinyje yra pati kvantinės mechanikos esmė.

Patirties esmė gana paprasta. Tegul būna dalelių šaltinis – tai gali būti šviesos dalelės, fotonai, elektronai, atomai, o neseniai buvo atliktas eksperimentas su molekulėmis – ir šis šaltinis apšviečia dalelėms nepermatomą plokštelę. Plokštelėje padaryti du ploni plyšiai, o už jos – ekranas, ant kurio įeinančios dalelės palieka pėdsakus. Jei uždarysime vieną iš plyšių, ekrane priešais antrąjį plyšį pamatysime daugiau ar mažiau ploną juostelę. Jei uždarysime antrą plyšį ir atidarysime pirmąjį, rezultatas bus toks pat, tačiau juostelė atsiras priešais pirmąjį plyšį. Kyla klausimas, kas atsitiks, jei abu plyšiai bus atidaryti vienu metu?

Kasdienė intuicija rodo, kad tokiu atveju ekrane matysime vos dvi juosteles. Arba, jei plyšiai yra pakankamai arti vienas kito, viena storesnė juostelė, gaunama tiesiog uždedant juosteles iš kiekvieno plyšio. Tačiau Thomas Youngas, pirmasis XIX amžiaus pradžioje atlikęs šį eksperimentą, nustebo pamatęs visiškai kitokį vaizdą. Ekrane buvo aiškiai matoma daug juostelių, kurių storis buvo mažesnis nei iš pradžių gautų juostelių storis. Dabar tai vadiname trukdžių modeliu, o pats efektas vadinamas dvigubo plyšio trukdžiais.

Tačiau Thomas Youngas dirbo ne su atskiromis dalelėmis, o su dideliu jų skaičiumi – su ryškiu šviesos šaltiniu. Todėl, nors jo stebėjimai įrodė, kad šviesa yra banga, jie nesukėlė tikros pasaulėžiūros revoliucijos. Mokslininkai tiesiog pradėjo apibūdinti šviesą kaip bangas. Tačiau bangoms trukdžių reiškinys yra natūralus. Įmeskite du akmenukus į vandenį ir pamatysite, kad nuo jų besikertantys apskritimai, susikertantys, sudaro gana sudėtingą modelį, kuris bus trukdžių modelis.

Revoliucija įvyko XX amžiaus pradžioje. Pirmiausia Maxo Plancko ir Alberto Einsteino teoriniuose darbuose buvo įvesta hipotezė, kad šviesa susideda iš dalelių, o vėliau britų fizikui Geoffrey'ui Ingramui Taylorui pavyko pakartoti Youngo eksperimentą, tačiau su tokiu silpnu šviesos šaltiniu, kad atkeliavo atskiri fotonai. galima aptikti ekrane. Tuo pačiu metu trukdžių modelis, gautas atvykus daugybei fotonų, išliko toks pat kaip Youngo. Taigi paaiškėjo, kad šviesa, atrodo, susideda iš dalelių, tačiau šios dalelės elgiasi kaip bangos.

Situaciją dar labiau apsunkino tai, kad panašus efektas buvo prognozuojamas elektronams – dalelėms, iš kurių bangų savybių ir trukdžių reiškinių tikrai nesitikėta. Ir nors Youngo eksperimento su elektronais analogą tik 1961 metais atliko vokiečių fizikas Klausas Jonssonas, bangų savybių buvimas juose buvo įrodytas kitais metodais dar XX amžiaus 2 dešimtmetyje.

Norėdami išspręsti iškilusį prieštaravimą, kuris vadinamas bangos ir dalelės dvilypu, mokslininkai turėjo daryti prielaidą, kad kiekviena dalelė atitinka tam tikrą bangą – tai vadinama bangos funkcija – kuri priklauso nuo dalelės būsenos. Pavyzdžiui, jei dalelė praėjo per vieną plyšį, tai yra viena būsena ir ji turi vieną banginę funkciją, o jei dalelė perėjo per kitą plyšį, tada ji yra kitokios būsenos ir turi skirtingą bangos funkciją. Kvantinės superpozicijos principas teigia, kad esant dviem atviriems plyšiams, dalelė yra pirmosios ir antrosios būsenų superpozicijos būsenoje, todėl jos banginė funkcija yra dviejų banginių funkcijų suma. Ši suma lemia trukdžių modelio atsiradimą. Šia prasme sakoma, kad dalelė vienu metu praeina per abu plyšius, nes jei ji praeitų tik per vieną iš jų, nebūtų trukdžių modelio.

Keista, kad nepaisant dvigubo plyšio eksperimento vaidmens kvantinėje fizikoje, daugelis mokslininkų to nesupranta visiškai teisingai. Be to, šis neteisingas paaiškinimas yra daugumoje kvantinės mechanikos vadovėlių. Faktas yra tas, kad superpozicijos reiškinys šiame eksperimente paprastai paaiškinamas taip: bangos funkcija tos būsenos, kurioje elektronas praeina per du plyšius, yra banginių funkcijų suma tų būsenų, kuriose ji būtų, jei vienas iš plyšių buvo uždarytas. Tačiau šiame paaiškinime neatsižvelgiama į tai, kad atidarę antrą plyšį galime pakeisti elektrono pratekėjimo būdą per pirmąjį. Grįžtant prie pavyzdžio su obuoliais, įsivaizduokite, kad perkate obuolį už pinigus, kuriuos pasiskolinote iš draugo, tada dviejų obuolių pirkimas nebebus taip sklandus, kaip vienas iš jūsų perkant vieną obuolį, nes galite neturėti visų pinigų. pakankamai.

Trijų plyšių eksperimentas: teorija

Esmę, kas atsitinka, kai atidaromas daugiau nei vienas plyšys, lengviau paaiškinti naudojant eksperimento pavyzdį, kai pridedamas kitas plyšys. Be to, patogu pereiti prie alternatyvaus kvantinės fizikos aprašymo, kurį išrado tas pats Richardas Feynmanas. 1940-ųjų pabaigoje jis parodė, kad visus tuo metu jau gerai išvystytus kvantinės mechanikos rezultatus galima gauti neįvedant jokių banginių funkcijų, o darant prielaidą, kad dalelė juda iš vieno taško į kitą visomis įmanomomis trajektorijomis. vieną kartą, tačiau kiekvienos trajektorijos „svoris“, tai yra, jos indėlis į galutinį rezultatą yra skirtingas ir nustatomas pagal specialias taisykles.

Didžiausią svorį turi trajektorijos, kurios artimos klasikinei. Pavyzdžiui, dviejų plyšių atveju tokios trajektorijos žemiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotos žaliai.

Tačiau prisideda ir daugybė kitų trajektorijų, net ir tokių egzotiškų, kai dalelė dalį kelio juda atgal, o ne pirmyn. Tarp jų yra tokių, kurie, patekę į vieną iš plyšių, praeina per kitą ir išeina per trečią, kaip parodyta purpurine spalva žemiau esančiame paveikslėlyje.

Būtent tokių neklasikinių trajektorijų buvimas lemia tai, kad dalelės būsena po trijų plyšių nėra lygi paprastajai jos praėjimo per kiekvieną iš jų būsenų sumai, kai kitos dvi uždarytos. Skirtumas, žinoma, paprastai yra nedidelis, tačiau, pirma, jis gali būti reikšmingas, jei jus domina koks nors silpnas poveikis, ir, antra, jį galima sustiprinti pasitelkus specialias gudrybes.

Pirmasis įprasto dvigubo plyšio eksperimentui superpozicijos principo paaiškinimo neteisingumą, matyt, atkreipė dėmesį japonų fizikas H. Yabuki dar 1986 m., tačiau jo darbai ilgai liko nepastebėti. Šiuolaikinį susidomėjimą šia tema atgaivino 2012 m. paskelbtas straipsnis prestižiniame žurnale Physical Review A. Jame autoriai išnagrinėjo klasikinių bangų trukdžių atvejį trijuose plyšiuose, kaip pavyzdį naudodami elektromagnetines bangas. Tiesiogiai skaitiniu būdu modeliuodami Maksvelo lygtis, kurios yra esminės šioje srityje, jie parodė, kad skirtumas tarp teisingo atsakymo ir atsakymo, gauto neteisingai interpretuojant superpozicijos principą, yra apie 0,5 % tikroviškomis sąlygomis. Ir nors ši vertė nedidelė, o jos eksperimentiškai išmatuoti kol kas neįmanoma, pats efektas neabejotinas.

Tačiau mokslininkai norėtų šį faktą patikrinti eksperimentiškai, todėl 2014 ir 2015 metais ta pati mokslininkų grupė, vadovaujama moters fizikės iš Indijos Urbasi Sinha, žurnaluose „Physical Review Letters“ ir „Scientific Reports“ paskelbė du straipsnius, kuriuose nagrinėjo išsamiai išnagrinėjo dalelių prasiskverbimo per tris plyšius kvantinę teoriją ir parodė, kad neatitikimo tarp teisingo rezultato ir neteisingo interpretavimo prognozės poveikis gali būti pastebimai sustiprintas, jei matavimai atliekami naudojant elektromagnetines bangas, kurios nėra optiniame diapazone, yra su šviesa, bet mikrobangų diapazone – tokios bangos naudojamos, pavyzdžiui, buitinėse mikrobangų krosnelėse maistui šildyti.

Trijų plyšių eksperimentas: praktika

Urbasi Sinha, komentuodama 2014 metų straipsnį, tvirtino, kad jos grupė jau pradėjo eksperimentą su mikrobangų krosnelėmis, tačiau jų rezultatai dar nebuvo paskelbti. Tačiau visai neseniai straipsnį paskelbė kita mokslininkų grupė, kuriai vadovavo garsus fizikas Robertas Boydas (jis garsėja, pavyzdžiui, tuo, kad pirmasis atliko eksperimentą su „lėta“ šviesa). Straipsnis buvo paskelbtas Nature Communications ir eksperimentiškai parodė aptartą poveikį. Tiesa, šio eksperimento idėja buvo kitokia.

Robertas Boydas ir jo kolegos pasiūlė padidinti neklasikinių trajektorijų „svorį“ šalia plokštelės su plyšiais naudojant vadinamuosius plazmonus. Plazmonai yra kažkas panašaus į „fotonus ant diržo“, kurie gali bėgti tik metalo paviršiumi nuo vieno plyšio iki kito. Tam tikslui iš aukso buvo pagaminta lėkštė su plyšeliais. Auksas yra puikus laidininkas, todėl sukuria ypač stiprius plazmonus.

Eksperimento metu šviesos šaltinis apšvitino tik vieną iš trijų plyšių. Be to, jei kiti du buvo uždaryti, buvo pastebėtas tipiškas šiek tiek neryškios juostelės vaizdas priešais atvirą plyšį. Tačiau atidarius kitus du plyšius vaizdas kardinaliai skyrėsi: atsirado tipiškas trukdžių raštas su daug siauresnėmis juostelėmis.

Kam reikalingos visos šios subtilybės?

Ar šie tyrimai gali turėti kokių nors praktinių pasekmių? To ir tikisi minėtų darbų autoriai. Kvantinės superpozicijos reiškinys plačiai naudojamas vadinamajai kvantinei komunikacijai. Pavyzdžiui, ja paremta kvantinė kriptografija. Būtent superpozicijos reiškinys suteikia neabejotinų pranašumų kvantiniams kompiuteriams, palyginti su tradicine elektronika pagrįstais kompiuteriais. Todėl šiomis kryptimis labai svarbu tiksliai suprasti, kaip veikia kvantinė superpozicija. Štai kodėl galime tikėtis, kad trigubo plyšio trukdžių tyrimai padės mums sukurti naujus, efektyvesnius kvantinių įrenginių veikimo protokolus.

1. Hans De Raedt, Kristel Michielsen ir Karl Hess, „Kelių kelių trukdžių analizė trijų plyšių eksperimentuose“ // Phys. Rev. A 85, 012101 (2012)
2. Rahul Sawant, Joseph Samuel, Aninda Sinha, Supurna Sinha ir Urbasi Sinha, „Neklasikiniai kvantinių trukdžių eksperimentų keliai“, Phys. Rev. Lett. 113, 120406 (2014 m.)
3. Michaelas Schirberis, „Kreivios fotonų trajektorijos gali būti aptinkamos“ // Fizika 7, 96 (2014 m.)
4. Stuartas Masonas Dambrot, „Peržiūrėta superpozicija: siūlomas dvigubo plyšio eksperimento paradokso sprendimas naudojant Feynmano kelio integralinį formalizmą“ // phys.org (2014-10-02)
5. Hamishas Johnstonas, „Fotonai kerta kelią per trigubą plyšį“ // PhysicsWorld (2014-09-25)
6. Aninda Sinha, Aravind H. Vijay ir Urbasi Sinha, „Apie superpozicijos principą interferenciniuose eksperimentuose“ // Scientific Reports 5, 10304 (2015)
7. Omaras S Magaña-Loaiza, Israel De Leon, Mohammad Mirhosseini, Robert Fickler, Akbar Safari, Uwe Mick, Brian McIntyre, Peter Banzer, Brandon Rodenburg, Gerd Leuchs ir Robert W. Boyd, „Egzotiškos kilpinės fotonų trajektorijos trijų plyšių trukdžiuose // Nature Communications 7, 13987 (2016)
8. Lisa Zyga, „Fizikai trijų plyšių eksperimente aptinka egzotiškas šviesos trajektorijas“ // phys.org

Savo gėdai noriu prisipažinti, kad girdėjau šį posakį, bet nežinojau, ką jis reiškia ir net kokia tema buvo vartojama. Papasakosiu, ką skaičiau internete apie šią katę...

« Šriodingerio katė“ – taip vadinasi garsaus austrų fiziko teorinio Erwino Schrödingerio, kuris taip pat yra Nobelio premijos laureatas, minties eksperimentas. Šio fiktyvaus eksperimento pagalba mokslininkas norėjo parodyti kvantinės mechanikos neužbaigtumą pereinant nuo subatominių sistemų prie makroskopinių sistemų.

Originalus Erwino Schrödingerio straipsnis buvo paskelbtas 1935 m. Štai citata:

Taip pat galite statyti atvejus, kuriuose yra gana burleska. Leiskite katę užrakinti plieninėje kameroje su tokia velniška mašina (kuri turėtų būti, nepaisant katės įsikišimo): Geigerio skaitiklio viduje yra nedidelis radioaktyviosios medžiagos kiekis, toks mažas, kad per valandą gali suirti tik vienas atomas, bet su ta pačia tikimybe gali nesuirti; jei taip atsitiks, skaitymo vamzdelis išsikrauna ir įjungiama relė, atleidžiamas plaktukas, kuris sulaužo kolbą vandenilio cianido rūgštimi.

Jei visą šią sistemą paliksime sau valandai, tada galime sakyti, kad po šio laiko katė bus gyva, jei tik atomas nesuirs. Pirmasis atominis skilimas apnuodys katę. Sistemos kaip visumos psi funkcija tai išreikš sumaišydama arba sutepdama gyvą ir negyvą katę (atleiskite už posakį) lygiomis dalimis. Tokiais atvejais būdinga tai, kad neapibrėžtumas, iš pradžių apsiribojęs atominiu pasauliu, paverčiamas makroskopiniu neapibrėžtumu, kurį galima pašalinti tiesioginiu stebėjimu. Tai neleidžia mums naiviai priimti „neryškaus modelio“ kaip tikrovės atspindžio. Tai savaime nereiškia nieko neaiškaus ar prieštaringo. Yra skirtumas tarp neryškios arba nefokusuotos nuotraukos ir debesų ar rūko nuotraukos.

Kitaip tariant:

1. Yra dėžė ir katė. Dėžutėje yra mechanizmas, kuriame yra radioaktyvus atomo branduolys ir nuodingų dujų talpykla. Eksperimentiniai parametrai parinkti taip, kad branduolio skilimo per 1 valandą tikimybė būtų 50%. Jei branduolys suyra, atsidaro dujų talpa ir katė miršta. Jei branduolys nesuyra, katė lieka gyva ir sveika.
2. Uždarome katę į dėžę, palaukiame valandą ir užduodame klausimą: ar katė gyva ar mirusi?
3. Atrodo, kad kvantinė mechanika mums sako, kad atomo branduolys (taigi ir katė) yra visose įmanomose būsenose vienu metu (žr. kvantinę superpoziciją). Prieš atidarant dėžutę, katės šerdies sistema yra būsenoje „branduolys suiro, katė negyva“ su 50% tikimybe, o būsena „branduolys nesuiręs, katė gyva“ tikimybe 50%. Pasirodo, dėžėje sėdinti katė yra ir gyva, ir mirusi vienu metu.
4. Pagal šiuolaikinę Kopenhagos interpretaciją, katė yra gyva/negyva be jokių tarpinių būsenų. Ir branduolio skilimo būsenos pasirinkimas įvyksta ne dėžutės atidarymo momentu, o net tada, kai branduolys patenka į detektorių. Nes sistemos „katė-detektorius-branduolys“ banginės funkcijos sumažinimas yra siejamas ne su žmogaus dėžės stebėtoju, o su branduolio detektoriumi-stebėtoju.

Remiantis kvantine mechanika, jei atomo branduolys nepastebimas, tai jo būsena apibūdinama dviejų būsenų mišiniu - suirusio branduolio ir nesuirusio branduolio, todėl katė sėdi dėžėje ir personifikuoja atomo branduolį. yra ir gyvas, ir miręs vienu metu. Jei dėžė atidaroma, eksperimentatorius gali matyti tik vieną konkrečią būseną - „branduolys suiro, katė negyva“ arba „branduolis nesuiręs, katė gyva“.

Esmė žmonių kalba: Schrödingerio eksperimentas parodė, kad kvantinės mechanikos požiūriu katė yra ir gyva, ir mirusi, o tai negali būti. Todėl kvantinė mechanika turi didelių trūkumų.

Kyla klausimas: kada sistema nustoja egzistuoti kaip dviejų būsenų mišinys ir pasirenka vieną konkrečią? Eksperimento tikslas – parodyti, kad kvantinė mechanika yra neišsami be tam tikrų taisyklių, nurodančių, kokiomis sąlygomis banginė funkcija žlunga ir katė arba miršta, arba lieka gyva, bet nebėra abiejų mišinys. Kadangi aišku, kad katė turi būti arba gyva, arba negyva (nėra tarpinės būsenos tarp gyvybės ir mirties), tai panašiai bus ir su atominiu branduoliu. Jis turi būti sugedęs arba nesuiręs (Wikipedia).

Kita naujesnė Schrödingerio minties eksperimento interpretacija yra istorija, kurią Didžiojo sprogimo teorijos veikėjas Sheldonas Cooperis papasakojo savo mažiau išsilavinusiam kaimynui Penny. Sheldono istorijos esmė ta, kad Schrödingerio katės koncepciją galima pritaikyti žmonių santykiams. Norint suprasti, kas vyksta tarp vyro ir moters, kokie santykiai tarp jų: ​​geri ar blogi, tereikia atidaryti dėžutę. Iki tol santykiai yra ir geri, ir blogi.

Žemiau yra vaizdo klipas apie šį Didžiojo sprogimo teorijos mainus tarp Sheldon ir Penia.

Schrödingerio iliustracija yra geriausias pavyzdys pagrindiniam kvantinės fizikos paradoksui apibūdinti: pagal jos dėsnius tokios dalelės kaip elektronai, fotonai ir net atomai egzistuoja dviejose būsenose vienu metu („gyva“ ir „mirusi“, jei prisimenate ilgai kenčianti katė). Šios būsenos vadinamos superpozicijomis.

Amerikiečių fizikas Artas Hobsonas iš Arkanzaso universiteto (Arkanzaso valstijos universitetas) pasiūlė šio paradokso sprendimą.

„Matavimai kvantinėje fizikoje yra pagrįsti tam tikrų makroskopinių prietaisų, tokių kaip Geigerio skaitiklis, veikimu, kurio pagalba nustatoma mikroskopinių sistemų – atomų, fotonų ir elektronų – kvantinė būsena. Kvantinė teorija reiškia, kad jei prijungiate mikroskopinę sistemą (dalelę) prie kokio nors makroskopinio įrenginio, kuris išskiria dvi skirtingas sistemos būsenas, tada įrenginys (pavyzdžiui, Geigerio skaitiklis) pereis į kvantinio įsipainiojimo būseną ir taip pat atsidurs dviejose. superpozicijos tuo pačiu metu. Tačiau tiesiogiai šio reiškinio stebėti neįmanoma, todėl jis yra nepriimtinas“, – sako fizikas.

Hobsonas teigia, kad pagal Schrödingerio paradoksą katė atlieka makroskopinio prietaiso – Geigerio skaitiklio, prijungto prie radioaktyvaus branduolio, vaidmenį, kad nustatytų to branduolio skilimo arba „neskilimo“ būseną. Šiuo atveju gyva katė bus „nesuirimo“, o negyva – irimo rodiklis. Tačiau pagal kvantinę teoriją katė, kaip ir branduolys, turi egzistuoti dviejose gyvenimo ir mirties superpozicijose.

Vietoj to, sako fizikas, katės kvantinė būsena turėtų būti susieta su atomo būsena, o tai reiškia, kad jie yra „nelokaliuose santykiuose“ vienas su kitu. Tai yra, jei vieno iš įsipainiojusių objektų būsena staiga pasikeis į priešingą, tada pasikeis ir jo poros būsena, nesvarbu, kiek jie yra vienas nuo kito. Tuo pačiu metu Hobsonas nurodo eksperimentinį šios kvantinės teorijos patvirtinimą.

„Kvantinio susipynimo teorijoje įdomiausia tai, kad abiejų dalelių būsenos pokytis įvyksta akimirksniu: joks šviesos ar elektromagnetinis signalas nespėtų perduoti informacijos iš vienos sistemos į kitą. Taigi galima sakyti, kad tai vienas objektas, padalintas į dvi dalis pagal erdvę, kad ir koks didelis atstumas tarp jų būtų“, – aiškina Hobsonas.

Schrödingerio katė nebėra gyva ir mirusi vienu metu. Jis yra miręs, jei skilimas įvyksta, ir gyvas, jei skilimas niekada neįvyksta.

Pridurkime, kad panašius šio paradokso sprendimus per pastaruosius trisdešimt metų siūlė dar trys mokslininkų grupės, tačiau į juos nebuvo žiūrima rimtai ir jie liko nepastebėti plačiuose mokslo sluoksniuose. Hobsonas pažymi, kad kvantinės mechanikos paradoksų sprendimas, bent jau teoriškai, yra būtinas norint giliai suprasti.

Šriodingeris

Tačiau visai neseniai TEORIKAI PAAIŠKINO, KAIP GRAVITACIJA UŽŽUDA ŠRODINGERIO KATĘ, bet tai yra sudėtingiau...

Paprastai fizikai paaiškina reiškinį, kad dalelių pasaulyje superpozicija įmanoma, bet neįmanoma su katėmis ar kitais makroobjektais, aplinkos trukdžiais. Kai kvantinis objektas praeina lauką arba sąveikauja su atsitiktinėmis dalelėmis, jis iš karto įgauna tik vieną būseną – tarsi būtų išmatuotas. Kaip tikėjo mokslininkai, superpozicija sunaikinama būtent taip.

Bet net jei kažkaip būtų įmanoma izoliuoti superpozicijos būseną esantį makroobjektą nuo sąveikos su kitomis dalelėmis ir laukais, jis vis tiek anksčiau ar vėliau įgautų vieną būseną. Bent jau tai pasakytina apie procesus, vykstančius Žemės paviršiuje.

„Kai kur tarpžvaigždinėje erdvėje galbūt katė turėtų galimybę išlaikyti kvantinę darną, tačiau Žemėje ar šalia bet kurios planetos tai labai mažai tikėtina. Ir to priežastis yra gravitacija“, – aiškina pagrindinis naujojo tyrimo autorius Igoris Pikovski iš Harvardo-Smithsonian astrofizikos centro.

Pikovskis ir jo kolegos iš Vienos universiteto teigia, kad gravitacija daro destruktyvų poveikį makroobjektų kvantinėms superpozicijoms, todėl panašių reiškinių makrokosme nepastebime. Pagrindinė naujosios hipotezės koncepcija, beje, trumpai išdėstyta vaidybiniame filme „Tarpžvaigždinis“.

Einšteino bendrosios reliatyvumo teorija teigia, kad itin masyvus objektas sulenks aplink save erdvėlaikį. Atsižvelgdami į situaciją mažesniu lygmeniu, galime teigti, kad molekulei, esančiai šalia Žemės paviršiaus, laikas praeis šiek tiek lėčiau nei molekulės, esančios mūsų planetos orbitoje.

Dėl gravitacijos įtakos erdvės laikui molekulė, kurią veikia ši įtaka, patirs savo padėties nuokrypį. O tai savo ruožtu turėtų paveikti jo vidinę energiją – molekulėje esančių dalelių virpesius, kurie laikui bėgant kinta. Jei molekulė būtų įvesta į dviejų vietų kvantinės superpozicijos būseną, tada padėties ir vidinės energijos santykis netrukus priverstų molekulę „pasirinkti“ tik vieną iš dviejų padėčių erdvėje.

"Daugeliu atvejų dekoherencijos reiškinys yra susijęs su išoriniu poveikiu, tačiau šiuo atveju vidinė dalelių vibracija sąveikauja su pačios molekulės judėjimu", - aiškina Pikovsky.

Šis efektas dar nepastebėtas, nes kiti dekoherencijos šaltiniai, tokie kaip magnetiniai laukai, šiluminė spinduliuotė ir vibracijos, paprastai yra daug stipresni, todėl kvantinės sistemos sunaikinamos dar gerokai anksčiau nei gravitacija. Tačiau eksperimentuotojai stengiasi patikrinti hipotezę.

Panaši sąranka taip pat galėtų būti naudojama norint išbandyti gravitacijos gebėjimą sunaikinti kvantines sistemas. Norėdami tai padaryti, reikės palyginti vertikalius ir horizontalius interferometrus: pirmajame superpozicija netrukus turėtų išnykti dėl laiko išsiplėtimo skirtinguose kelio „aukštiuose“, o antrajame gali likti kvantinė superpozicija.

Kvantinis pasaulis yra labai toli nuo mūsų, todėl jo dėsniai dažnai mums atrodo keisti ir priešingi intuityviams. Tačiau svarbios kvantinės fizikos naujienos ateina pažodžiui kasdien, todėl dabar būtina jas teisingai suprasti – kitaip, mūsų akimis žiūrint, fizikų darbas iš mokslo virsta magija ir apauga mitais. Jau kalbėjome apie kvantinius kompiuterius, nelokalumą ir kvantinę teleportaciją. Šiandien kalbėsime apie dar vieną paslaptingą kvantinį dalyką – darną. Apie tai pasakoja Rusijos kvantinio centro jaunesnysis mokslo darbuotojas Aleksejus Fedorovas.

Kas yra darna? Ar yra kokių nors gerų klasikinės fizikos analogų?

Darnos sąvoka pirmą kartą atsiranda klasikinėje fizikoje, kai kalbama apie virpesius. Klasikinė koherencija yra santykinės fazės pastovumas tarp dviejų ar daugiau to paties dažnio bangų procesų. Kalbėdami apie darną, jie visada prisimena interferenciją – efektą, kai bendras energijos srautas iš kelių koherentinių šaltinių tam tikrame erdvės taške gaunamas ne tiesiogiai pridedant energijos srautus iš kiekvieno šaltinio, o šiek tiek sudėtingesniu būdu. . Formaliai kalbant, reikia sudėti kompleksines amplitudes, apibūdinančias iš kiekvieno šaltinio kylančią bangą, tada paimti gauto kompleksinio skaičiaus modulį ir padalyti jį kvadratu (su tam tikru koeficientu, kad viskas būtų gerai su matmenimis).

Sumuojant kompleksines amplitudes, o ne intensyvumą, erdvinio intensyvumo profilyje susidaro pažįstamas . Interferencijos požymis yra skirtumas tarp gaunamo bangos proceso intensyvumo ir jo komponentų intensyvumo sumos.

Dabar prie kvantinės mechanikos. Viena iš pagrindinių kvantinės mechanikos nuostatų yra ta, kad mikroskopinės dalelės pasižymi banginėmis savybėmis. Bet jei klasikinėje fizikoje mes kalbėjome, pavyzdžiui, apie elektromagnetinio lauko stiprumo bangas, tai apie mikroskopines daleles kalbame apie tikimybines bangas, apibūdinamas sudėtingomis „tikimybių amplitudėmis“, dar vadinamomis „bangų funkcija“. Būtent ši idėja įtraukta į Schrödingerio lygtį.

Tikimybių bangoms, kaip ir bet kurioms kitoms bangoms, taip pat būdingi tie patys efektai, susiję su galimybe, kad bangos susidėlios viena ant kitos. Kvantinėje mechanikoje ši superpozicija vadinama (koherentine) superpozicija. Būtent superpozicija sukelia „kvantinį“ difrakcijos ir trukdžių poveikį.

Kvantinės sistemos gali būti nuoseklioje būsenų superpozicijoje, net jei tai yra (klasikiniu požiūriu) vienas kitą paneigiančių būsenų superpozicija. Tiesioginis kvantinių dėsnių taikymas klasikiniame pasaulyje sukelia paradoksalių situacijų, viena žinomiausių – Šriodingerio katė. Taip, Schrödingeris norėjo į dėžę įdėti katę (die Katze), o ne katę.

Kodėl kvantiniam skaičiavimui reikalinga koherencija?

Kvantinė koherencija leidžia realizuoti kvantinį paralelizmą. Kvantinių kompiuterių architektūra skiriasi nuo klasikinio skaičiavimo architektūros keliais svarbiais aspektais (apie tai jau buvo kalbama kvantinėje abėcėlėje, bet pagrindai nebus nereikalingi).

Bitų sistema pakeičiama kubitų sistema, kuri yra tam tikroje pradinėje būsenoje. Logines operacijas atlieka ne klasikiniai loginiai elementai, o jų kvantiniai analogai. Taigi kvantiniame kompiuteryje visas įvesties signalų rinkinys (koherentinė superpozicija) gali vienu metu pereiti per kvantinį loginį elementą („vartus“), suteikdama atitinkamų išvesties signalų superpoziciją. Tai suteikia kvantinio skaičiavimo pranašumą prieš klasikinius kai kuriose problemų klasėse, pavyzdžiui, faktorizavimo uždavinyje.

Tiesa, čia yra subtilumų: kvantiniam kompiuteriui baigus skaičiavimus, atsakymai į jo išspręstas problemas taip pat bus superpozicijos būsenoje. Kai tik bandysime išsiaiškinti, kokie yra šie atsakymai, gausime tik vieną atsitiktinai parinktą atsakymą. Tačiau daug kartų atlikę skaičiavimus, galime kalbėti apie atsakymą su pagrįsta tikimybe.

Tam tikrose problemų klasėse kvantinis kompiuteris turi pranašumą prieš klasikinį. Viena vertus, tai riboja jo pritaikymą ir rodo, kad jis negali pakeisti klasikinio asmeninio kompiuterio. Nors darant tokias prielaidas verta prisiminti, kad kompiuterių eros aušroje pasauliui buvo įskaitytas tik penkių kompiuterių poreikis.

Be to, užduočių klasė, kurią kvantinis kompiuteris gali atlikti geriau nei klasikinis, yra šiuolaikinių kriptografijos ir informacijos saugumo idėjų pagrindas. Taigi galimas kvantinio kompiuterio atsiradimas jau keičia informacinių technologijų taisykles.

Kas yra dekoherence, kokie procesai gali ją sukelti?

Klasikinėje fizikoje taip pat egzistuoja dekoherencijos reiškinys. Dekoherencija - darnos pažeidimas - yra koherentinių savybių, susijusių su santykinės fazės tarp šaltinių pastovumo praradimu, išnykimas, o tai, pavyzdžiui, sukelia trikdžių modelio, kurį aptarėme aukščiau, sunaikinimą.

Kvantinėje mechanikoje viskas yra sudėtingiau ir daug įdomiau. Dekoherencija – tai kvantinės sistemos sąveika su aplinka, kurioje nekontroliuojamai kinta sistemos kvantinė būsena. Kvantinės informacijos teorijos požiūriu dekoherencija atitinka susipainiojimo tarp kvantinės būsenos laisvės laipsnių ir aplinkos laisvės laipsnių atsiradimą.

Šiuo atveju dalis informacijos apie kvantinį objektą patenka į aplinką, o dalis informacijos apie aplinką patenka į kvantinę sistemą. Dekoherencija atsiranda dėl to, kad aplinkos būklės neapibrėžtumo chaosas įsiveržia į kvantinės sistemos būseną, nevaldomai ją keisdamas.

Panagrinėkime tai naudodamiesi garsiojo Jungo eksperimento pavyzdžiu: iš „kvantinio kulkosvaidžio“ šaudysime daleles į ekraną su dviem plyšiais. Jei po ekranu pastatysime elektronų detektorių, pamatysime trukdžių modelį. Jungo eksperimente trukdžiai išnyksta, kai į aplinką patenka informacija apie tai, per kurį iš dviejų plyšių dalelė praėjo. Tai gali būti dėl specialios eksperimentinės sąrankos (pavyzdžiui, „žibintuvėlių“, apšviečiančių kiekvieną plyšį), ir dėl reiškinių, kurių eksperimentuotojai nekontroliuoja. Atrodytų, kad tai stebuklas, bet ne - tai kvantinės sistemos „sąveika“ su stebėtoju.

Jei vertinsime visų objektų, įskaitant makroskopinius, elgesį kvantinės mechanikos požiūriu, tada dekoherencija atitinka susipainiojimo tarp konkretaus kvantinio objekto ir jo aplinkos atsiradimą. Dėl dekoherencijos nematome kačių, vienu metu bėgiojančių į priešingas puses.

Kaip nustatyti, kad įvyko dekoherence?

Dekoherenciją galima aptikti, pavyzdžiui, išnykus trukdžių modeliui. Yra toks paprastas eksperimentas „Welcher Weg“ („į kurią pusę“). Jame mes iš esmės tiesiog siunčiame fotonus į pluošto skirstytuvą, per kurį fotonas arba praeina (vadinkime tai „1 keliu“), arba atsispindi (vadinkime tai „2 keliu“). Tada, naudodami veidrodžius, abu kelius sujungiame į kitą pluošto skirstytuvą, kurio kiekvienas išėjimas turi vieną fotonų detektorių.

Pavyzdžiui, jei šiame eksperimente interferometras (ty santykis tarp kelio ilgių) iš pradžių buvo sukonfigūruotas taip, kad visi fotonai išeitų griežtai viena iš dviejų išėjimo pluošto skirstytuvo krypčių. Dekoherencijos metu, t.y. sunaikinus nuoseklios superpozicijos būseną tarp kelių, jie išeis su 1/2 tikimybe kiekviena iš dviejų krypčių.

Tarkime, kad kvantinis kompiuteris atliko tam tikrą operaciją ir įvyko dekoherence (pavyzdžiui, įpusėjus Šoro algoritmo vykdymui ar kai kurioms paprastesnėms operacijoms). Koks bus skaičiavimo rezultatas, kuo jis skirsis nuo skaičiavimo visiškai koherentiniais kubitais?

Dėl dekoherencijos išvesties kvantiniame registre bus iškraipytas skaičiavimo rezultatas (kuris taip pat gali keistis nuo paleidimo iki paleidimo). Pavyzdžiui, vykdydami skaičių 15, mes nuolat gausime ne 3 ir 5, o su tam tikra tikimybe 3 ir 5, o su tam tikra tikimybe - visokius kitus rezultatus (2 ir 4, 3 ir 6 ir t. t.). )

Kaip susidoroti su dekoherence? Ar galite pateikti kokių nors pavyzdžių? Ar sudėtingiau išlaikyti nuoseklumą daugiabitinėse sistemose?

Norint kovoti su dekoherencija, reikalinga aplinkos kontrolė, nes net menkiausias aplinkos poveikis gali sukelti dekoherenciją. Taigi, norint ištirti kvantines superpozicijas, būtina jas kruopščiai izoliuoti nuo aplinkos.

Įdomu tai, kad dėl pastarosios aplinkybės atsirado kvantinio jutiklio samprata: kadangi kvantinės būsenos yra tokios jautrios išoriniams poveikiams, tai reiškia, kad jomis galima atlikti itin jautrius matavimus. Neseniai atskiro neurono signalas buvo išmatuotas naudojant kvantinį jutiklį NV centruose.

Praktikoje kovojant su dekoherence naudojama žema temperatūra ir įvairios kompensavimo schemos už lėtai kintančius aplinkos parametrų svyravimus. Pavyzdžiui, mokslininkai išmoko pakeisti dekoherenciją eksperimentuodami su „sukimosi aidu“ (daugiau apie tai žemiau).

Daugiabučių sistemose sunkiau subalansuoti poreikį priversti kubitus „girdėti“ vieni kitus ir „kalbėti“ vieni su kitais ir tuo pačiu „negirdėti“ savo aplinkos. Tam nėra esminių fizinių apribojimų, tačiau sprendžiant tokią problemą kyla nemažai technologinių sunkumų.

Kiek laiko nuoseklumas išlieka šiuolaikiniuose kubituose?

Neseniai Merilendo universiteto mokslininkai sukonstravo penkių kubitų įrenginį, pagrįstą iterbio jonais elektromagnetiniuose spąstuose (apie N+1). Visų pirma, šiame darbe, kuris yra vienas naujausių, šie laikai yra maždaug sekundėmis.

Kaip ši vertė atitinka kvantinių kompiuterių koncepcijos reikalavimus?

Būtina, kad koherentiškumo laikas viršytų laiką, per kurį įvyksta klaidų skaičiavimas ir taisymas. Taigi pasiekiamo koherentiškumo laiko pakanka skaičiavimams atlikti. Tačiau to dar nepakanka, kad būtų sukurtas visavertis ir universalus kvantinis kompiuteris, nes tam reikia ilgalaikės atminties ir kitų elementų, kuriuose koherencijos laikas turi būti ilgesnis. Kitas įdomus būdas yra sukurti topologinį kvantinį skaičiavimą, kuris yra atsparus klaidoms.

Koks yra ryšys tarp dekoherencijos ir bangos funkcijos žlugimo? Ar jie kalba apie tą patį?

Tai yra „gerasis policininkas“ ir „blogasis policininkas“.

Abiejų šių procesų esmė – informacijos apie kvantinės sistemos būklę nutekėjimas į aplinką. Kai žmonės kalba apie dekoherenciją, atrodo, kad procesas vyksta gana sklandžiai ir ilgainiui – kaip gero policininko apklausa. Griūties atveju ji turi būti beveik akimirksniu ir intensyvi – piktajam policininkui atsakymų reikia nedelsiant. Ir nesvarbu, kas nutiks toliau su mūsų kvantine sistema.

Jie dažnai kalba apie bangos funkcijos žlugimą matavimo momentu, nors iš tikrųjų matavimas yra orkestruotas dekoherencijos variantas, kuriame aplinkos vaidmenį atlieka matavimo prietaisas, perduodantis informaciją apie kvantinę sistemą. makroskopinis lygis (palyginti su adatos nukrypimu). Taip pat galima sakyti, kad bangos funkcijos žlugimas yra ribojantis dekoherencijos atvejis.

Ar įmanoma šiek tiek sulaužyti dekoherciją ir tada grąžinti ją į savo vietą?

Remiantis dekoherencijos proceso pobūdžiu, aišku, kad norint pakeisti dekoherenciją, būtina aplinkai žinomą informaciją apie kvantinę sistemą grąžinti atgal į kvantinę sistemą, t.y. makroskopinė aplinka turi ją „pamiršti“. Apskritai tai labai sunku, nes informacijos nutekėjimo procesas yra negrįžtamas dėl to, kad yra labai daug laisvės laipsnių, kuriuose ši informacija gali būti saugoma, ir jie visi greitai ja keičiasi. Todėl norint viską grąžinti į savo vietas, reikia pakankamai gerai kontroliuoti aplinką. Apskritai viskas kaip su žmonėmis.

Tačiau iš principo įmanomas triukas, kaip pakeisti dekoherenciją, pavyzdžiui, atliekant eksperimentą, vadinamą „sukimosi aidu“. Jo esmė ta, kad kvantinės sistemos (pavyzdžiui, branduolio sukimosi) evoliucijos laikas buvo daug trumpesnis nei būdingo išorinių sąlygų pasikeitimo (magnetinio lauko) laikas. Naudojant specialią operacijų seką, galima pakeisti informacijos nutekėjimo apie kvantinę sistemą procesą.

Parengė Vladimiras Korolevas ir Andrejus Koniajevas

Fizikai sukūrė kvantinę mechaniką, kad apibūdintų pasaulio, kuriame gyvena mikroobjektai, dėsnius. Tačiau šie dėsniai pasirodė tokie paslaptingi ir prieštaringi, kad mokslininkai vis dar supranta kai kuriuos jų aspektus. Fizinių ir matematikos mokslų kandidatas, Rusijos mokslų akademijos Taikomosios fizikos instituto vyresnysis mokslo darbuotojas, mokslo populiarinimo tinklaraščio autorius Artiomas Koržimanovas pasakoja apie naujausius darbus, skirtus kvantinės superpozicijos reiškinio tyrimams.

Kvantinė superpozicija – kvantinės mechanikos pagrindas

Kvantinė mechanika, atsiradusi XX amžiaus pradžioje ir subrendusi 1930-aisiais, dabar yra gerai patikrinta ir itin sėkminga fizinė teorija. Mūsų civilizacija neįsivaizduojama be techninių pasiekimų, kurie jai priklauso. Užtenka paminėti, kad kompiuteris, nešiojamas kompiuteris ar išmanusis telefonas, su kuriuo skaitote šį tekstą, niekada nebūtų buvę sukurti, jei nebūtų kvantinės mechanikos.

Tačiau mokslininkai už šiuos pasiekimus turėjo sumokėti didelę kainą, nes kvantinės teorijos principai taip prieštarauja mūsų intuicijai, kad net stipriausi žmonijos protai išmetė baltą vėliavą, bandydami pateikti jiems bet kokią interpretaciją, kuri būtų kitokia. iš garsiosios frazės, priskiriamos Richardui Feynmanui arba Davidui Merminui: „Užsičiaupk ir skaičiuok!

Vienas iš tokių paradoksalių principų yra kvantinės superpozicijos principas. Apskritai superpozicijos principas mums visiems puikiai pažįstamas, nors kasdieniame gyvenime jo taip ir nepavadinsime. Paprastai superpozicija suprantama kaip paprastas stebėjimas: jei vienas veiksmas veda prie vieno rezultato, o antras veiksmas veda prie antrojo, tai jų bendras veiksmas duos abu rezultatus. Pavyzdžiui, jei jūs perkate obuolį, o jūsų draugas perka obuolį, tada kartu pirksite du obuolius. Superpozicijos principas, žinoma, ne visada išsipildo: jei parduotuvėje liko parduoti tik vieną obuolį, tai jūs ir jūsų draugas niekada nepirksite dviejų obuolių, nors galėtumėte nusipirkti obuolį atskirai.

Tačiau kvantinė superpozicija labai skiriasi nuo klasikinės superpozicijos. Kvantinėje teorijoje mes kalbame ne apie veiksmų, o apie būsenų superpoziciją. Pavyzdžiui, jei turite dvi dėžes, tada elektronas gali būti vienoje ar kitoje iš jų, bet taip pat paaiškėja, kad jis gali būti šių dviejų būsenų superpozicijoje - tai yra tam tikra prasme abiejose dėžutėse tuo pačiu metu. Šis visai mūsų kasdienei patirčiai prieštaraujantis faktas ne kartą buvo patvirtintas įvairiais eksperimentais ne tik su elektronais, bet ir su didesniais objektais iki gana makroskopinių superlaidžių metalinių žiedų, kuriuose srovė vienu metu teka ir pagal laikrodžio rodyklę, ir prieš laikrodžio rodyklę.

Dvigubo plyšio eksperimentas

Klasikinis pavyzdys, parodantis kvantinės superpozicijos reiškinį, yra dvigubo plyšio eksperimentas. Šis eksperimentas yra toks svarbus kvantinės mechanikos supratimui, kad garsus fizikas Richardas Feynmanas savo ne mažiau garsiose Feynmano fizikos paskaitose jį vadina reiškiniu, „kurio neįmanoma, visiškai, visiškai neįmanoma paaiškinti klasikiniu būdu. Šiame reiškinyje yra pati kvantinės mechanikos esmė.

Patirties esmė gana paprasta. Tegul būna dalelių šaltinis – tai gali būti šviesos dalelės, fotonai, elektronai, atomai, o neseniai buvo atliktas eksperimentas su molekulėmis – ir šis šaltinis apšviečia dalelėms nepermatomą plokštelę. Plokštelėje padaryti du ploni plyšiai, o už jos – ekranas, ant kurio įeinančios dalelės palieka pėdsakus. Jei uždarysime vieną iš plyšių, ekrane priešais antrąjį plyšį pamatysime daugiau ar mažiau ploną juostelę. Jei uždarysime antrą plyšį ir atidarysime pirmąjį, rezultatas bus toks pat, tačiau juostelė atsiras priešais pirmąjį plyšį. Kyla klausimas, kas atsitiks, jei abu plyšiai bus atidaryti vienu metu?

Kasdienė intuicija rodo, kad tokiu atveju ekrane matysime vos dvi juosteles. Arba, jei plyšiai yra pakankamai arti vienas kito, viena storesnė juostelė, gaunama tiesiog uždedant juosteles iš kiekvieno plyšio. Tačiau Thomas Youngas, pirmasis XIX amžiaus pradžioje atlikęs šį eksperimentą, nustebo pamatęs visiškai kitokį vaizdą. Ekrane buvo aiškiai matoma daug juostelių, kurių storis buvo mažesnis nei iš pradžių gautų juostelių storis. Dabar tai vadiname trukdžių modeliu, o pats efektas vadinamas dvigubo plyšio trukdžiais.

Tačiau Thomas Youngas dirbo ne su atskiromis dalelėmis, o su dideliu jų skaičiumi – su ryškiu šviesos šaltiniu. Todėl, nors jo stebėjimai įrodė, kad šviesa yra banga, jie nesukėlė tikros pasaulėžiūros revoliucijos. Mokslininkai tiesiog pradėjo apibūdinti šviesą kaip bangas. Tačiau bangoms trukdžių reiškinys yra natūralus. Įmeskite į vandenį du akmenukus ir pamatysite, kad nuo jų besikertantys apskritimai, susikertantys, sudaro gana sudėtingą modelį, kuris bus trukdžių modelis.

Revoliucija įvyko XX amžiaus pradžioje. Pirmiausia Maxo Plancko ir Alberto Einsteino teoriniuose darbuose buvo įvesta hipotezė, kad šviesa susideda iš dalelių, o vėliau britų fizikui Geoffrey'ui Ingramui Taylorui pavyko pakartoti Youngo eksperimentą, tačiau su tokiu silpnu šviesos šaltiniu, kad atkeliavo atskiri fotonai. galima aptikti ekrane. Tuo pačiu metu trukdžių modelis, gautas atvykus daugybei fotonų, išliko toks pat kaip Youngo. Taigi paaiškėjo, kad šviesa, atrodo, susideda iš dalelių, tačiau šios dalelės elgiasi kaip bangos.

Situaciją dar labiau apsunkino tai, kad panašus efektas buvo prognozuojamas elektronams – dalelėms, iš kurių bangų savybių ir trukdžių reiškinių tikrai nesitikėta. Ir nors Youngo eksperimento su elektronais analogą tik 1961 metais atliko vokiečių fizikas Klausas Jonssonas, bangų savybių buvimas juose buvo įrodytas kitais metodais dar XX amžiaus 2 dešimtmetyje.

Norėdami išspręsti iškilusį prieštaravimą, kuris vadinamas bangos ir dalelės dvilypu, mokslininkai turėjo daryti prielaidą, kad kiekviena dalelė atitinka tam tikrą bangą – tai vadinama bangos funkcija – kuri priklauso nuo dalelės būsenos. Pavyzdžiui, jei dalelė praėjo per vieną plyšį, tai yra viena būsena ir ji turi vieną banginę funkciją, o jei dalelė perėjo per kitą plyšį, tada ji yra kitokios būsenos ir turi skirtingą bangos funkciją. Kvantinės superpozicijos principas teigia, kad esant dviem atviriems plyšiams, dalelė yra pirmosios ir antrosios būsenų superpozicijos būsenoje, todėl jos banginė funkcija yra dviejų banginių funkcijų suma. Ši suma lemia trukdžių modelio atsiradimą. Šia prasme sakoma, kad dalelė vienu metu praeina per abu plyšius, nes jei ji praeitų tik per vieną iš jų, nebūtų trukdžių modelio.

Keista, kad nepaisant dvigubo plyšio eksperimento vaidmens kvantinėje fizikoje, daugelis mokslininkų to nesupranta visiškai teisingai. Be to, šis neteisingas paaiškinimas yra daugumoje kvantinės mechanikos vadovėlių. Faktas yra tas, kad superpozicijos reiškinys šiame eksperimente paprastai paaiškinamas taip: bangos funkcija tos būsenos, kurioje elektronas praeina per du plyšius, yra banginių funkcijų suma tų būsenų, kuriose ji būtų, jei vienas iš plyšių buvo uždarytas. Tačiau šiame paaiškinime neatsižvelgiama į tai, kad atidarę antrą plyšį galime pakeisti elektrono pratekėjimo būdą per pirmąjį. Grįžtant prie pavyzdžio su obuoliais, įsivaizduokite, kad perkate obuolį už pinigus, kuriuos pasiskolinote iš draugo, tada dviejų obuolių pirkimas vyks ne taip sklandžiai, kaip vienam iš jūsų perkant vieną obuolį, nes visų pinigų jums gali neužtekti. .

Trijų plyšių eksperimentas: teorija

Esmę, kas atsitinka, kai atidaromas daugiau nei vienas plyšys, lengviau paaiškinti naudojant eksperimento pavyzdį, kai pridedamas kitas plyšys. Be to, patogu pereiti prie alternatyvaus kvantinės fizikos aprašymo, kurį išrado tas pats Richardas Feynmanas. 1940-ųjų pabaigoje jis parodė, kad visus tuo metu jau gerai išvystytus kvantinės mechanikos rezultatus galima gauti neįvedant jokių banginių funkcijų, o darant prielaidą, kad dalelė juda iš vieno taško į kitą visomis įmanomomis trajektorijomis. vieną kartą, tačiau kiekvienos trajektorijos „svoris“, tai yra, jos indėlis į galutinį rezultatą yra skirtingas ir nustatomas pagal specialias taisykles.

Didžiausią svorį turi trajektorijos, kurios artimos klasikinei. Pavyzdžiui, dviejų plyšių atveju tokios trajektorijos žemiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotos žaliai.

Tačiau prisideda ir daugybė kitų trajektorijų, net ir tokių egzotiškų, kai dalelė dalį kelio juda atgal, o ne pirmyn. Tarp jų yra tokių, kurie, patekę į vieną iš plyšių, praeina per kitą ir išeina per trečią, kaip parodyta purpurine spalva žemiau esančiame paveikslėlyje.

Būtent tokių neklasikinių trajektorijų buvimas lemia tai, kad dalelės būsena po trijų plyšių nėra lygi paprastajai jos praėjimo per kiekvieną iš jų būsenų sumai, kai kitos dvi uždarytos. Skirtumas, žinoma, paprastai yra nedidelis, tačiau, pirma, jis gali būti reikšmingas, jei jus domina koks nors silpnas poveikis, ir, antra, jį galima sustiprinti pasitelkus specialias gudrybes.

Pirmasis įprasto dvigubo plyšio eksperimentui superpozicijos principo paaiškinimo neteisingumą, matyt, atkreipė dėmesį japonų fizikas H. Yabuki dar 1986 m., tačiau jo darbai ilgai liko nepastebėti. Šiuolaikinį susidomėjimą šia tema atgaivino 2012 m. paskelbtas straipsnis prestižiniame žurnale Physical Review A. Jame autoriai išnagrinėjo klasikinių bangų trukdžių atvejį trijuose plyšiuose, kaip pavyzdį naudodami elektromagnetines bangas. Tiesiogiai skaitiniu būdu modeliuodami Maksvelo lygtis, kurios yra esminės šioje srityje, jie parodė, kad skirtumas tarp teisingo atsakymo ir atsakymo, gauto neteisingai interpretuojant superpozicijos principą, yra apie 0,5 % tikroviškomis sąlygomis. Ir nors ši vertė nedidelė, o jos eksperimentiškai išmatuoti kol kas neįmanoma, pats efektas neabejotinas.

Tačiau mokslininkai norėtų šį faktą patikrinti eksperimentiškai, todėl 2014 ir 2015 metais ta pati mokslininkų grupė, vadovaujama moters fizikės iš Indijos Urbasi Sinha, žurnaluose „Physical Review Letters“ ir „Scientific Reports“ paskelbė du straipsnius, kuriuose nagrinėjo išsamiai išnagrinėjo dalelių prasiskverbimo per tris plyšius kvantinę teoriją ir parodė, kad neatitikimo tarp teisingo rezultato ir neteisingo interpretavimo prognozės poveikis gali būti pastebimai sustiprintas, jei matavimai atliekami naudojant elektromagnetines bangas, kurios nėra optiniame diapazone, yra su šviesa, bet mikrobangų diapazone – tokios bangos naudojamos, pavyzdžiui, buitinėse mikrobangų krosnelėse maistui šildyti.

Trijų plyšių eksperimentas: praktika

Urbasi Sinha, komentuodama 2014 metų straipsnį, tvirtino, kad jos grupė jau pradėjo eksperimentą su mikrobangų krosnelėmis, tačiau jų rezultatai dar nebuvo paskelbti. Tačiau visai neseniai straipsnį paskelbė kita mokslininkų grupė, kuriai vadovavo garsus fizikas Robertas Boydas (jis garsėja, pavyzdžiui, tuo, kad pirmasis atliko eksperimentą su „lėta“ šviesa). Straipsnis buvo paskelbtas Nature Communications ir eksperimentiškai parodė aptartą poveikį. Tiesa, šio eksperimento idėja buvo kitokia.

Robertas Boydas ir jo kolegos pasiūlė padidinti neklasikinių trajektorijų „svorį“ šalia plokštelės su plyšiais naudojant vadinamuosius plazmonus. Plazmonai yra kažkas panašaus į „fotonus ant diržo“, kurie gali bėgti tik metalo paviršiumi nuo vieno plyšio iki kito. Tam tikslui iš aukso buvo pagaminta lėkštė su plyšeliais. Auksas yra puikus laidininkas, todėl sukuria ypač stiprius plazmonus.

Eksperimento metu šviesos šaltinis apšvitino tik vieną iš trijų plyšių. Be to, jei kiti du buvo uždaryti, buvo pastebėtas tipiškas šiek tiek neryškios juostelės vaizdas priešais atvirą plyšį. Tačiau atidarius kitus du plyšius vaizdas kardinaliai skyrėsi: atsirado tipiškas trukdžių raštas su daug siauresnėmis juostelėmis.

Vaizdų ekrane palyginimas, kai du iš trijų plyšių yra uždaryti (kairėje) ir kai visi trys plyšiai yra atidaryti (dešinėje). O. S. Magana-Loaiza ir kt., Nat. Komun. 7, 13987 (2016 m.)

Kam reikalingos visos šios subtilybės?

Ar šie tyrimai gali turėti kokių nors praktinių pasekmių? To ir tikisi minėtų darbų autoriai. Kvantinės superpozicijos reiškinys plačiai naudojamas vadinamajai kvantinei komunikacijai. Pavyzdžiui, ja paremta kvantinė kriptografija. Būtent superpozicijos reiškinys suteikia neabejotinų pranašumų kvantiniams kompiuteriams, palyginti su tradicine elektronika pagrįstais kompiuteriais. Todėl šiomis kryptimis labai svarbu tiksliai suprasti, kaip veikia kvantinė superpozicija. Štai kodėl galime tikėtis, kad trigubo plyšio trukdžių tyrimai padės mums sukurti naujus, efektyvesnius kvantinių įrenginių veikimo protokolus.

Artiomas Koržimanovas

Kvantinė magija Doroninas Sergejus Ivanovičius

2.4. Būsenų superpozicija

2.4. Būsenų superpozicija

„Nenatūralių“ (klasikiniu požiūriu) būsenų buvimas mus supančiame pasaulyje, jų egzistavimo objektyvumą patvirtina fiziniai eksperimentai, ir šis faktas yra tiesioginė vieno iš pagrindinių kvantinės mechanikos principų pasekmė - valstybių superpozicijos principas. Arba geriau pasakyti atvirkščiai: ši prigimtinė gamtos savybė atsispindi pagrindiniame kvantinės mechanikos teoriniame principe. Jis gali būti suformuluotas taip.

Valstybių superpozicijos principas : jei sistema gali būti skirtingose ​​būsenose, tai ji gali būti būsenose, kurios gaunamos vienu metu „superpozicijos“ dviem ar daugiau būsenų iš šios aibės.

Kvantinėje teorijoje yra du kokybiškai skirtingi superpozicijos tipai, atsižvelgiant į tai, kad grynąsias būsenas galima apibūdinti būsenos vektoriumi, o mišrias būsenas – tankio matricomis. Todėl būsenos vektoriai arba tankio matricos gali sutapti viena su kita. Kol kas kalbėsime apie grynųjų būsenų superpoziciją, norint pabrėžti šią aplinkybę, dažniausiai vartojami posakiai „koherentinė superpozicija“ ir „koherentinės būsenos“.

Klasikinėje fizikoje taip pat plačiai vartojama superpozicijos sąvoka. Mokykloje visi piešėme kūnui veikiančių jėgų vektorines rodykles ir naudodamiesi lygiagretainio (trikampio) taisykle radome gautą jėgos vektorių. Šiuo atveju naudojome klasikinės fizikos superpozicijos principą, kurio esmė ta, kad iš kelių nepriklausomų poveikių gaunamas efektas yra kiekvienos įtakos sukeliamų padarinių suma atskirai. Jis galioja sistemoms arba fiziniams laukams, aprašytiems tiesinėmis lygtimis.

Tačiau klasikinėje fizikoje superpozicijos principas yra apytikslis, o ne universalus, pagrindinis. Tai veikiau yra atitinkamų sistemų judėjimo lygčių tiesiškumo pasekmė ir yra gana geras aproksimacija, kai netiesiniai efektai yra nereikšmingi.

Kitokia situacija yra kvantinėje mechanikoje. Jame superpozicijos principas yra esminis, vienas pagrindinių postulatų, lemiančių teorijos matematinio aparato struktūrą. Iš to seka, pavyzdžiui, kad valstybės kvantinė mechaninė