Шрёдингер предложил этот эксперимент, чтобы выявить недостатки установившейся версии квантовой механики. Он имел четкую цель, но парадокс получил неожиданное разрешение. Микроскопическое не может быть отделено от макроскопического, как если бы они были разделены непроницаемым барьером. Эксперимент не противоречит квантовой суперпозиции; он просто вводит эту суперпозицию в нашу жизнь.
В лабораториях были реализованы десятки экспериментов, напоминающих о коте Шрёдингера (ни одно животное при этом не пострадало). В них участвовали серии все более сложных структур в состоянии суперпозиции. В 1999 году это были молекулы 60 атомов углерода; в следующем году — токи в сверхпроводниках, наконец в 2011 году — молекулы, состоящие из 430 атомов, большие, чем молекула инсулина.
В 2010 году созданный человеком механизм впервые ослушался классических законов, чтобы подчиниться квантовым: метроном волосяной толщины (таким образом, видимый) оказался способен колебаться одновременно с большей и меньшей частотой. Эксперимент проходил при температуре, близкой к абсолютному нулю. В 2009 году немецко-испанская группа ученых предложила провести опыт, максимально приближенный к пресловутому коту, используя вместо теплокровного животного вирус табачной мозаики. Конечно, в этом кто-то увидит ересь, но Шрёдингер оценил бы этот союз биологии и физики.
Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьем!
Английский физик Стивен Хокинг
Освоение макроскопических суперпозиций открывает путь к созданию квантовых компьютеров. Современные компьютеры работают с арифметикой нулей и единиц, а их квантовый эквивалент сможет работать с суперпозицией 0 и 1, то есть одновременно с двумя состояниями. Если традиционный компьютер выполняет операции последовательно, используя результаты предыдущих вычислений, выраженные в виде 0 или 1, то квантовое устройство сможет одновременно обрабатывать команды, соответствующие двум альтернативам.
Эта способность скачкообразно увеличивает вычислительные возможности.
РИС. 1
РИС. 2
Выход из лабиринта парадокса Шрёдингера и решение проблем квантовой интерпретации сегодня, кажется, можно найти исходя из принципа декогеренции, сформулированной в 1970 году немецким физиком Хайнцем-Дитером Це. Она говорит нам, что состояния суперпозиции допустимы, но также требуют крайней деликатности. Они легко могут быть разрушены при взаимодействии с окружающим миром — как карточный домик, стоящий напротив открытого окна. Излучение или поглощение фотона, столкновения частиц уничтожают спектры волновой функции и ускоряют ее необратимое изменение к внешне классическому состоянию. Поэтому основная странность квантового мира связана не с микромасштабами, а с тем, что для его манифестаций необходима крайняя степень уединенности. В обычной жизни мы не наблюдаем суперпозиции, потому что сама невозможность изолировать макроскопический объект разрушает их. Декогеренция, описанная на основе уравнения Шрёдингера, показывает, как классический мир внезапно проявляется из квантового через взаимодействие с окружающей средой. Так что не существует барьера между ньютоновским наблюдателем и пространством атома. Волновая функция объединяет нас всех.
Кот Шрёдингера, хоть он и заперт в стальной камере, ведет диалог с окружающим миром. Будучи теплокровным животным, он испускает инфракрасные лучи, молекулы воздуха сталкиваются с его усами, наша планета оказывает на него электромагнитное воздействие, масса кота притягивает Землю, а на него самого действует сила притяжения Земли...
Феномен декорегенции смогли обнаружить в лаборатории при работе с фуллеренами (рисунок 1) — сложными молекулами, основа которых, состоящая из 60 атомов углерода, напоминает футбольный мяч. Их состояние суперпозиции исчезает, как только они высвобождают часть тепловой энергии, излучая фотоны.
Квантовый след
«Запутанность» — термин, который Шрёдингер использовал в статье от 1935 года «Текущая ситуация в квантовой механике», — сегодня имеет другую трактовку, чем при своем появлении. Шрёдингер считал запутанность не новой характеристикой квантовой механики, а элементом, который помогает ее понять с помощью привычного нам образа мыслей.
В самой простой версии запутанности две частицы А и В являются квантовыми близнецами и находятся в одинаковом состоянии до того, как разнестись друг от друга на произвольно большое расстояние таким образом, чтобы они не могли взаимодействовать (рисунок 2). Несмотря на удаленность друг от друга, обе частицы способны реагировать на измерение одной из них, демонстрируя прекрасную согласованность. Вначале наблюдаемое свойство не измерено ни для A, ни для В. После разнесения частиц в пространстве произведем измерение для A, результат которого, естественно, будет случайным. Запутанность предполагает, что это измерение сразу же станет справедливым и для В, хотя эта частица измерениям не подвергалась. Например, если мы определяем импульс A, то сразу же узнаем его и для В. После завершения измерения запутанность исчезает. Эйнштейн называл этот эффект «жутким дальнодействием», и он был для него одной из главных причин отклонения принятой интерпретации квантовой механики.
Хотя запутанность связывает частицы, скорость которых выше скорости света, скорость передачи информации между двумя исследователями подчиняется релятивистским ограничениям.
Если второй исследователь в это же время фиксирует положение В, то может сложиться впечатление, что принцип неопределенности Гейзенберга нарушается. Так, теперь наблюдателю известны и положение частицы В (благодаря прямому измерению), и ее импульс (благодаря измерению у частицы- близнеца A). Однако в действительности принцип неопределенности остается незыблем, поскольку он устанавливает, что две характеристики В — положение и импульс — не могут быть измерены в одно и то же время. Первый наблюдатель, измеряя импульс А, знает, каким будет этот импульс для В, но ничего не знает о положении В. И наоборот, когда второй наблюдатель фиксирует положение В, ему неизвестен результат измерения импульса А. Он узнает его лишь потом, когда коллега сообщит его ему Неопределенность выступает как функция ожидания информации. После измерений запутанность исчезает, и определить траекторию частиц становится невозможным (см. рисунок).
До измерения импульса А исследователь не знает, каким будет результат, поэтому он не сможет воспользоваться запутанностью, чтобы передать информацию быстрей скорости света. И даже если он мгновенно узнает импульс В, он сможет сообщить его второму исследователю только через условный коммуникационный канал, соблюдая лимит скорости с.
Еще один австрийский физик из Венского университета, Антон Цайлингер, на основании шрёдингеровской запутанности провел ряд крайне любопытных опытов в области квантовой информации. Он начал с трех запутанных фотонов, затем перешел к четырем. Со временем ученый установил рекордную пространственную разнесенность запутанных частиц, разместив их между островами Лас-Пальмас и Тенерифе (Канарские острова) на расстоянии 144 километра. Европейское космическое агентство приняло на рассмотрение его новый проект: еще более удалить запутанные частицы друг от друга, увеличивая дистанцию до 1500 километров. Цайлингер был одним из авторов вышеупомянутой идеи о тепловом нарушении суперпозиции для фуллеренов. Его исследования легли в основу технологии, связанной с использованием квантовых особенностей, в сфере информатики и криптографии. Также этот физик впервые осуществил квантовую телепортацию — метод, использующий запутанность, чтобы мгновенно передавать характеристики одной частицы другой. Принимая во внимание, что в атомной физике главное — сохранение свойств атома, а не его структуры, работа Цайлингера очень подстегивает воображение и сулит поистине фантастические перспективы.