Квантовые коты превратились в зомби

Появился способ создания произвольных квантовых состояний

Физики научились строить сложные квантовые состояния «под заказ». Для демонстрации метода они сделали нескольких «шрёдингеровых котов» и «кота вуду», который находится одновременно в трёх когерентных состояниях – «живой», «мёртвый» и «зомби».

Квантовая механика – удивительная наука. Построенная, по большому счёту, логическим образом вокруг совсем небольшого исходного числа экспериментальных фактов, она оказалась способной выдержать уйму экспериментальных проверок уже после своего создания. Представьте, что вы строили огромный дом, взяв за основу несколько каменных балок, которые никак не влезали в здание классической физики, а всё остальное сделали из хрусталя, руководствуясь соображениями не прочности, а исключительно изящества. И через сто лет классический каменный дом уже давно рухнул под шквалом новых экспериментальных данных. А ваша ажурная конструкция стоит, несмотря на все удары стихии.

Так же и квантовая механика. Её выводы, которые кажутся абсурдными с точки зрения здравого смысла, подтверждаются экспериментом, и оказывается, что это как раз наш здравый смысл, основанный на представлениях классической механики, нуждается в некоторой коррекции. И даже чисто логические рассуждения, намеренно выстроенные таким образом, чтобы посрамить квантовую механику, в итоге пока обращаются в её пользу, обогащая наше понимание теории. Впрочем, зачастую совсем не сразу, десятилетиями оставаясь в статусе загадок квантовой механики.

Один из парадоксов такого рода был придуман австрийцем Эрвином Шрёдингером, одним из отцов аппарата теории, с целью оспорить её «копенгагенскую» интерпретацию, которую предлагали Нильс Бор и его коллеги. Этот пример называется «парадоксом шрёдингерова кота».

Шрёдингеровский кот

Согласно одному из принципов квантовой механики, если частица может находиться в каких-то двух состояниях, то она может оказаться и в суперпозиции этих состояний. Притом речь идёт не о смеси, а именно о сумме: частица одновременно находится и в том, и в другом месте, движется назад и вперёд или является одновременно красной и зелёной. Правда, при попытке определить, красной она является или зелёной с помощью какого-нибудь «цветомера», ответ будет однозначным, а сама частица разом превратится в, соответственно, красную или зелёную. Но до момента измерения, если верить Нильсу Бору, она может быть на 90% красной и на 10% зелёной, просто вероятность, что при измерении получится зелёный цвет, в 9 раз меньше красной.

Пока дело касается субатомных частиц, это рассуждение, возможно, и не кажется из ряда вон. Шрёдингер придумал, как сделать его очевидно парадоксальным. Представим, написал австриец, что у нас есть непрозрачный ящик, в котором находится радиоактивная частица, бесшумный счётчик Гейгера, ампула с синильной кислотой и кот. Если частица распадётся, сработает счётчик, от этого сигнала специальный молоток разобьёт ампулу, и кот задохнётся. Если не распадётся, кот останется жив.

Если мы заглянем в коробку, мы увидим либо живого, либо мёртвого кота – в зависимости от того, находится ли радиоактивная частица в распавшемся или в нераспавшемся состоянии. А если не посмотрим? По Бору, частица находится одновременно и в том, и в другом состоянии, просто «распавшееся» состояние со временем захватывает всё большую долю её волновой функции. Выходит, что и состояние кота – одновременно живое и мёртвое, и «всё более мёртвое» со временем.

Шрёдингер предложил схему (см. справку), в которой жизнь кота в непрозрачной коробке жёстко увязана с состоянием радиоактивной частицы. По Бору, пока мы не посмотрим на частицу, она находится одновременно и в распавшемся, и в нераспавшемся состоянии, просто «распавшееся» со временем захватывает всё большую долю волновой функции частицы.

Так что ж тогда с котом, который «запутан» с частицей (этот термин появился в той же работе)? Он тоже одновременно и жив, и мёртв?

А почему тогда таких котов никто не видел?

Ответов за прошедшие 74 года появилось немало. Наверное, самый радикальный из них – многомировая интерпретация квантовой механики Хью Эверетта, в которой кот жив в одной вселенной и мёртв в другой, притом обе вселенные объективно существуют, а субъективный выбор, в какой жить, определяет сам наблюдатель в момент измерения. Эвереттову интерпретацию принимают далеко не все физики, а многие вообще считают её бессмысленным сотрясанием воздуха — теорией, не допускающей возможности экспериментальной проверки.

Более широко принятый вариант ответа взывает к декогеренции. Его можно сформулировать примерно так: да, кот одновременно и жив, и мёртв – но очень недолго. Сторонники этой точки зрения, подкрепляя свои рассуждения вычислениями, показывают, что состояние «и жив, и мёртв» очень быстро распадается, скатываясь в одну из альтернатив за счёт очень большого числа взаимодействий кота с внешним миром. Коты в интересовавшем Шрёдингера состоянии существуют очень недолго, и именно поэтому ему такие животные не встречались.

Однако подобные состояния для отдельных частиц могут жить уже почти макроскопическое время – микро- и миллисекунды. И они играют важную роль в популярных ныне приложениях квантовой механики – квантовых компьютерах, криптографии и телепортации.

Чаще всего учёные создают частицы, у которых одновременно два значения имеет спин, не имеющий классического аналога. Но есть и петли проводника, в которых ток течёт одновременно в двух направлениях, и оптические резонаторы, в которых могут одновременно быть, скажем, 2 и 4 фотона, но при этом не быть трёх. Такие немыслимые с точки зрения классической физики состояния в наши дни как раз и называют «шрёдингеровыми котами».

Проблема только в том, что надёжно, «под заказ», создавать нужные шрёдингеровы состояния учёные до сих пор не умели.

Американские физики под руководством Макса Хофхайнца и Эндрю Клеланда из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре научились делать таких «котов».

Статья учёных опубликована в последнем номере Nature.

Их «шрёдингеровы коты» сделаны из фотонов и представляют собой состояние сверхпроводящего резонатора – по сути, микроскопического LC-контура вроде тех, которыми радиоприёмники настраиваются на нужную волну. В этом резонаторе могут поместиться сколько угодно квантов электромагнитного излучения с частотой в несколько ГГц (это микроволновый диапазон). С резонатором емкостным образом связан кубит, то есть квантовая система, которая может находиться лишь в двух состояниях – основном и возбуждённом.

Загрузка фоковских состояний

Кубит загружает фотоны в резонатор по одному. Сначала внешнее, «классическое» микроволновое поле возбуждает в кубите колебания. Затем его частоту медленно перестраивают так, чтобы он оказался в резонансе с резонатором. Если теперь дать им провзаимодействовать, фотон быстро «перескочит» в резонатор. После этого частоту кубита опять уводят, разрушая его связь с резонатором, и можно повторить операцию.

Всего год назад Хофхайнц и его коллеги изловчились использовать кубит для «загрузки» в резонатор нужного количества микроволновых фотонов. Такие состояния с чётко определённым числом частиц называют фоковскими (в честь ленинградского физика Владимира Александровича Фока), и в своих прошлых работах Хофхайнц с коллегами добрались до середины второго десятка ступеней лесенки фоковских состояний.

Теперь физики научились контролировать не только амплитуду каждой ступени, но и её фазу, жёстко ограничивая время каждого взаимодействия между «загрузочным» кубитом и микроволновым резонатором.

Таким образом удалось создать состояния, состоящие из чётко заданной смеси разных фоковских ступеней. Например, из нуля фотонов и одного фотона.

Это совсем не то же самое, что один фотон. Несложно представить себе эксперимент, в котором как раз детектирование кванта будет запускать механизм убийства кота, и созданное Хофхайнцем--Клеландом состояние даёт коту равные вероятности погибнуть и выжить. Состояние с ровно одним фотоном не оставляло бы ему шансов.

Аналогично калифорнийцы создали смеси «0 фотонов + 2 фотона», «0+3», «0+4» и «0+5». Кроме того, учёные сделали смесь из трёх фоковских состояний – нуля, трёх и шести фотонов с заданным фазовым коэффициентом у каждого состояния (см. заглавную иллюстрацию к статье).

А их самым большим достижением стало создание состояния, которое они обозвали «котом вуду» – равной смеси когерентных состояний с тремя разными фазами.

Чтобы приблизиться к нему, учёным в ходе конструирования пришлось добраться до фоковского состояния с 9 фотонами.

«Котом вуду» учёные это состояние прозвали и за равную смесь трёх когерентных состояний (их они условно обозвали «живой», «мёртвый» и «зомби»), и за пугающий внешний вид его функции Вигнера на комплексной плоскости. Эта функция – что-то вроде квантового аналога функции распределения в фазовом пространства, она полностью характеризует квантовую систему. Клеланд и коллеги научились измерять функцию Вигнера, многократно повторяя процедуру изготовления заданного состояния, а затем измеряя состояние «загрузочного» кубита. Во всех случаях теоретически рассчитанная и измеренная функции неплохо походили друг на друга.

Конечно, «кот вуду» – это лишь демонстрация.

Это что-то вроде светящегося белка в коже обезьян, с помощью которого учёные в том же номере Nature показали возможность создания трансгенных приматов.

Реальные же приложения пока вряд ли кого-то испугают. Ведь если квантовый компьютер когда-нибудь будет реализован, и если он будет сделан на основе таких же микроволновых резонаторов, с которыми работали Клеланд и его команда, то нынешний «прорыв» станет лишь частью скромного устройства по инициализации регистров памяти компьютера, задача которого – записать исходные данные перед тем, как компьютер примется решать задачу.