Подпишитесь на оповещения
от Газеты.Ru
Дополнительно подписаться
на сообщения раздела СПОРТ
Отклонить
Подписаться
Получать сообщения
раздела Спорт

«Это оптический аналог кошки Шрёдингера»

Российский ученый создал оптический аналог кошки Шрёдингера

Павел Котляр 22.07.2013, 10:28
Экспериментальная установка в Российском квантовом центре Александр Львовский
Экспериментальная установка в Российском квантовом центре

О том, где может прятаться граница между микро- и макромиром, почему кота Шрёдингера нельзя встретить на улице и что общего между этим котом и РАН, «Газете.Ru» рассказал профессор Университета Калгари (Канада), руководитель научной группы Российского квантового центра Александр Львовский.

Работа Львовского и его коллег, под названием «Наблюдение запутывания микро- и макросостояний света», в ночь на понедельник опубликована в крупнейшем международном физическом журнале Nature Physics и представлена на Международной конференции по квантовым технологиям, проходящей сейчас в Москве.

— Почему вы задумались о создании кота Шрёдингера?

— Это мысленный эксперимент, который Шрёдингер (один из создателей квантовой механики) придумал как пример того, насколько нелепо применять принципы квантовой физики к нашему обыденному миру. Квантовые объекты способны существовать одновременно (в суперпозиции) двух и более состояний. Например, радиоактивный атом может быть в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося состояний.

Так вот, Шрёдингер представил себе кошку (кстати, именно кошку, а не кота), которая находится в одном ящике с таким атомом и гибнет, если атом распадается. Получается, что и кошка оказывается вместе с атомом в суперпозиции живого и мёртвого состояний!

Короче говоря, состояние кошки Шрёдингера очень напоминает то, в котором сейчас находится Российская академия наук.

А если серьёзно, то система, с которой мы работаем, — это просто свет. Наша задача — получить суперпозицию крупных, макроскопических состояний света. Это и есть аналог кошки Шрёдингера.

— И как же вы этого добивались?

— Мы начинаем с одиночного фотона. Мы ставим на его пути светоделитель, частично посеребренное зеркало, дающее нам суперпозицию состояний фотона, прошедшего через светоделитель, и фотона отражённого. Затем к тому свету, который от светоделителя отразился, мы применяем специальный вид усиления, при котором получается сложное макроскопическое состояние, содержащее несколько сотен миллионов фотонов. Причём это состояние будет разным в зависимости от того, был ли там фотон или нет. Получается та же кошка Шрёдингера: усиленный фотон — это живая кошка, усиленное «пустое место» — мертвая. Дальше нам надо было померить и убедиться, что это именно такое состояние, какое предсказывает квантовая физика. Это значит, во-первых, макроскопичность, то есть что два его компонента действительно значительно отличаются друг от друга. Во-вторых, тест на запутанность полученного состояния — проверка, что усиление не уничтожило свойства суперпозиции.

— Каким образом?

— Мы делали операцию, обратную усилению, таким образом возвращаясь в микроскопическое состояние. Это нужно потому, что измерять квантовые макроскопические состояния мы пока не умеем, а микроскопические состояния можем. Есть методика, называемая квантовой томографией, которая может точно сказать, какое есть состояние.

— Но, измеряя однофотонное квантовое состояние, вы же меняете его?

— Конечно, поэтому мы готовим много сотен тысяч раз одно и то же состояние, каждый раз его меряем и затем выбрасываем.

— Насколько уместно сравнение этой многофотонной системы с кошкой Шрёдингера?

— Вполне уместно. Это оптический аналог кошки Шрёдингера. Это макроскопическая система, которая находится в запутанном состоянии с микроскопической системой, которая состоит либо из нуля, либо из одного фотона.

— Есть ли практические применения этих результатов?

— Думаю, главное — перспективы ответа на фундаментальный вопрос о границе макро- и микромира.

Ведь мы не знаем: может быть, есть граница, степень макроскопичности, где квантовая физика перестает действовать?

На этот вопрос и должен был ответить наш эксперимент: мы строим все более сложные квантовые системы и смотрим – сохраняют они свои квантовые свойства или нет. До сих пор, особенно в оптике, это удавалось с трудом: людям удавалось построить системы максимум из нескольких фотонов. А построить квантовое состояние из сотен миллионов фотонов казалось невероятным. Но то, что мы придумали, как это делать одним способом, вовсе не означает, что это всегда происходит так.

— А если всегда, то почему мы не видим кошек Шрёдингера в реальности?

— Объяснения, которые дают физики, различны. Например, есть такое. Кошка, жива она или мертва, видна экспериментатору, который сразу же становится частью этой суперпозиции. То есть суперпозиция «атом распался/кошка мертва и атом не распался/кошка жива» после того, как на нее посмотрел наблюдатель, становится «атом распался/кошка мертва/экспериментатор видит мертвую кошку и атом не распался/кошка жива/экспериментатор видит живую кошку.

А будучи частью суперпозиции, экспериментатор не может знать, что есть и другие части. Поэтому ему кажется, что суперпозиция распалась. К тому же экспериментатор не один: кошку видят все, от нее отражаются триллионы фотонов, они летят в разные стороны, в космос, там их поглощают какие-то атомы – причём разные атомы в зависимости от того, живая кошка или нет. В результате вся Вселенная становится частью этой суперпозиции (это называется многомировой интерпретацией квантовой механики).

Поэтому макроскопические квантовые объекты трудно сделать: чем объект больше, тем в большей степени видно их состояние миру и тем скорее оно на мир распространится, то есть произойдёт распад этой суперпозиции.

А значит, чем больше квантовый объект, тем труднее его построить.

— Где проводилась ваша работа?

— Мы делали эксперимент с коллегами в Университете Калгари, однако я являюсь также и сотрудником Российского квантового центра, и дальнейшие наши исследования по этой теме мы будем проводить в РКЦ.

— У вас там уже есть лаборатория?

— Да, я взял в Калгари академический отпуск на полгода и провел его в Москве, в Сколково, с целью создать эту лабораторию, и мы только что закончили ее строительство. Квантовый центр занимает целый подвал здания; сейчас начинают работу три лаборатории, моя одна из них. Там есть оптический стол, лазеры, осциллографы, множество оптических элементов. РКЦ сотрудничает со многими учреждениями – и с физфаком МГУ, и с МФТИ, и с ФИАН им. Лебедева, и с рядом ведущих центров на Западе. Если в Калгари мы сделали переплетенные микро- и макросостояния, то здесь, в Сколково, мы хотим сделать два переплетенных макросостояния — и чтобы они как-то взаимодействовали.