Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

обсуждали такие фундаментальные идеи, как где проходит граница между квантовым и классическим мирами, используя мысленные эксперименты и аргументы, основанные на различных подходах к интерпретации квантовой механики. Теперь эти идеи наконец-то можно проверить в лабораторных условиях.

В Главе 5 я описал, как декогеренция решила один из фундаментальных вопросов, связанных с проблемой измерения, объяснив, почему мы никогда не видим котов живыми и мертвыми одновременно. Феномен декогеренции доказывает, как мы вполне справедливо ожидаем, что четкой границы между микро – и макромиром не существует – просто эффект интерференции суперпозиций исчезает тем быстрее, чем сложнее становится квантовая система. Интерференции чрезвычайно быстро пропадают, когда квантовая система вступает в контакт с макроскопической окружающей средой. Следовательно, хитрость в том, чтобы изучать «мезоскопические» системы, которые находятся где-то посередине между микро – и макромиром, и надеяться, что рано или поздно нам удастся увидеть декогеренцию в действии.

В 1996 году в Боулдере (Колорадо) был проведен эксперимент, воссоздавший первое «состояние кота Шрёдингера» на атоме, сначала поймав его в ловушку силового поля, а затем замедлив его движение посредством охлаждения лазером. Еще два лазера применялись для «вынужденного» ввода атома в суперпозицию пребывания в двух местах одновременно.

В мае 1996 года группа экспериментаторов Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере (Колорадо) создали, как они выразились, подобное «состоянию кота Шрёдингера» состояние, поместив на место кота отдельный атом. Сначала они поймали атом и лазером охладили его до температуры, настолько близкой к абсолютному нулю, насколько это возможно без нарушения принципа неопределенности[74], а затем подтолкнули его серией контролируемых лазерных импульсов, которые ввели атом в суперпозицию двух различных квантовых состояний, основанных на энергии его внешних электронов.

Само по себе это не представляет особенного интереса. Атомы часто пребывают в суперпозициях. Интересно, что лазеры сделали различные состояния атома квантово запутанными с состояниями его движения, поэтому он оказался и в суперпозиции движения одновременно в двух направлениях. Атом колеблется в своей ловушке, причем два состояния движутся совершенно не в фазу. Когда они расходятся дальше всего, между ними оказывается расстояние, почти в тысячу раз превышающее диаметр атома. Обратите внимание, что под «ними» я подразумеваю две части волновой функции одного атома.

Но я-то знаю, что волновые функции не локализованы в пространстве, так что в подобном поведении нет ничего необычного. И все же каждая колеблющаяся часть волновой функции распространяется всего на одну десятую максимального расхождения между двумя частями. Именно поэтому описываемая ситуация отличается от обычного эксперимента с двумя прорезями. В конце концов, атом, который проходит сквозь обе прорези, тоже пребывает в суперпозиции нахождения в двух местах одновременно. Но в этом случае две части волновой функции распространяются, как только прорези пройдены, и накладываются друг на друга, а следовательно, интерферируют. Здесь же каждая часть волновой функции остается локализованной и не распространяется в пространстве. Когда две части оказываются в точке максимального расхождения, наложения практически не происходит.

Как только ученые научились воссоздавать такие мезоскопические состояния кота Шрёдингера, следующим шагом стало их применение в изучении природы декогеренции. К декабрю 1996 года был проведен первый успешный эксперимент в этой сфере, который осуществила группа ученых под руководством Сержа Ароша, работавшая в Высшей нормальной школе (ENS) в Париже. Вместо того чтобы просто ввести атом в суперпозицию, они сумели запутать состояние атома с электромагнитным полем, состоящим всего из нескольких фотонов, заключенных внутри резонатора. Таким образом электромагнитное поле было тоже введено в суперпозицию колебания в двух разных фазах одновременно.

Парижский эксперимент 1996 года впервые доказал, что декогеренция представляет собой реальный физический процесс. Изучая состояния двух атомов (квантовой кошки и квантовой мышки), проходящих сквозь резонатор, содержащий электромагнитное поле в суперпозиции, можно измерить, насколько быстро произошла декогеренция поля.

Далее ученые измерили, как долго электромагнитное поле может пребывать в этой квантовой суперпозиции. Взаимодействие с окружающей средой происходило, как только из резонатора выходил хотя бы один фотон, который выдавал квантовое состояние внешнему миру. Чтобы измерить, насколько быстро это случалось, ученые отправляли второй атом, который называли квантовой мышкой[75], который сам оказывался запутанным с квантовым состоянием поля. Это приводило к возникновению поддающейся измерению интерференции между различными частями волновой функции второго атома. Изменяя временной интервал перед запуском атома-мышки, ученые наблюдали декогеренцию в действии. Скорость потери суперпозиции электромагнитного поля зависит от того, насколько «не в фазе» пребывали два компонента. Обычно время декогеренции можно было растянуть до десятой доли миллисекунды. Наконец-то ученым удалось неопровержимо доказать, что декогеренция реальна.

В последние годы возник интерес к перспективам так называемого моделирования сред, которое предполагает сдерживание декогеренции путем как можно более долгого поддержания квантовых суперпозиций пойманных в ловушку атомов. Как же это делается? И снова с помощью лазеров. Но эта задача гораздо сложнее и требует совместной работы многих лазеров. Нужны лазеры, которые ловят атом, лазеры, которые его охлаждают, и лазеры, которые вводят его в суперпозицию. В общем, в лазерной промышленности не заскучаешь!

Рекордная запутанность

Наблюдение декогеренции в действии и контроль за нею с успехом применяются в развивающихся сферах квантовой криптографии, квантовых вычислений и квантовой телепортации, которые я опишу чуть дальше в этой главе. Но прежде мне стоит кратко упомянуть о недавнем прогрессе в укрощении еще одного фундаментального свойства волновой функции – квантовой запутанности.

Когда я перейду к описанию квантовых вычислений, мы увидим, что для максимально эффективного использования квантовых суперпозиций необходимо запутать как можно больше квантовых состояний. В 1990-е годы различные группы исследователей успешно запутывали по два-три атома или фотона, но это было нелегко. Взаимодействие с окружающей средой любой из запутанных частиц приравнивалось к измерению и приводило к коллапсу деликатных суперпозиций, которые рушились, подобно карточному домику. Затем в марте 2000 года группа ученых из NIST опубликовала на страницах журнала Nature[76] отчет об успешном применении новой техники запутывания вереницы из четырех пойманных в ловушку атомов. Каждый атом вводился в суперпозицию, после чего все четыре запутывались вместе. Этот метод, как утверждали ученые, был вполне применим и к гораздо большему количеству частиц.

О другом прорыве в сентябре 2001 года сообщила группа из датского города Орхус, которой удалось запутать квантовые состояния двух макроскопических объектов – образцов газа цезия, в каждом из которых содержались триллионы атомов! Запутанность продолжалась почти целую миллисекунду. Так, не смейтесь. Я понимаю, что миллисекунда довольно коротка, но это все же очень впечатляющий результат. Видите ли, если каждый из образцов пребывал в