Новый парадокс квантовой механики: явление; квантового чеширского кота

«Видала я котов без улыбки. Но улыбку без кота. » — удивлялась Алиса, путешествуя по Стране чудес. Но в квантовом мире «коты» и «улыбки» вполне могут существовать вдали друг от друга: ученые показали, что нейтроны порой путешествуют отдельно от собственных магнитных моментов. Согласно законам квантовой физики час­ти­цы могут одновременно пребывать в различных состояниях. Если, к примеру, пучок нейтронов разделить надвое с помощью кремниевого кристалла, отдельные нейтроны будут испытывать трудности с «выбором пути» и окажутся на двух траекториях одновременно — в квантовой суперпозиции обоих возможных состояний. Такая установка (нейтронный интерферометр) и была использована группой ученых из Венского технологического университета, французских Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле и Университета Сержи-Понтуаз и Университета Чэпмена в Калифорнии, для того чтобы доказать существование «квантовых чеширских котов».

Парадокс «квантового Чеширского кота»: нейтроны («коты») могут перемещаться по верхнему пути, тогда как их спины («улыбки») оказываются на нижнем.

На нейтронном интерферометре пучок нейтронов был разделен на­двое. Частицы, следующие по различным траекториям, были «переключены» в противоположные состояния, отличающиеся знаком проекции спина на направление движения нейтронов. Затем пучки вновь объединили и направили на детектор, который фиксировал лишь нейтроны с положительной проекцией спина, прошедшие по первому пути. Если на этом пути поставить фильтр, отсеивающий часть нейтронов, детектор покажет снижение их числа. Если фильтр поставить на втором пути, на показаниях детектора это не отразится. Нейтроны обладают ненулевым спином, который порождает магнитный момент этих частиц и может меняться при воздействии внешнего магнитного поля. При сведении нейтронных пучков возникает определенная интерференционная картина, которая должна меняться даже при небольшом изменении спинов частиц. Но при воздействии магнитного поля на первый (регистрируемый) пучок экспериментаторы не увидели никакого эффекта! Тогда как магнитное поле, приложенное на пути второго (игнорируемого) пучка, повлияло на интерференционную картину.

Таким образом, непосредственно с измерительным прибором взаимодействовали лишь нейтроны, прошедшие по первому пути, но при этом к воздействию магнитного поля оказался чувствительным лишь второй путь. Система вела себя так, будто частицы отделены от их свойств. Это явление может представлять и практический интерес: разделение частиц и их спина позволит снизить шумы, влияющие на результаты высокоточных измерений, основанных на принципе квантовой интерференции.

Источник: http://www.popmech.ru/science/48507-novyy-paradoks-kvantovoy-mekhaniki-yavlenie-kvantovogo-cheshirskogo-kota/

Квантовый чеширский кот

Атмосфера экзопланеты оказалась заполненной металлами

Вышедшая из комы пациентка родила близнецов

Голову рептилоида нашли на Марсе

Дело об НЛО в Шотландии будет секретным до 2072 года

Диковинные суеверия о зачатии ребенка

Дома где живет страх

Женщинам стали чаще сниться тревожные сны

Загадка древних японских туннелей

Загадочные вспышки рентгеновского излучения

Загадочные исчезновения людей

Загадочный материал, рецепт которого был утерян

ИИ отличил двоечников от отличников в соцсетях

Инопланетяне прячутся в сферическом облаке

Как вы относитесь к медицинским химерам

Камера безопасности фиксирует странные огни

Крайне неприятные и жуткие роботы

Кусочки Венеры разбросаны по Луне

Мачу-Пикчу откроют для туристов

НЛО движется к Земле

Новый минерал открыли на Камчатке

Огромные постройки инопланетян на Луне

Пациентка забыла 20 лет жизни

Первая фотография экзопланеты

Пытаются создать магнитное поле, как у черной дыры

Сколько всего органов в человеческом теле

Спецслужбы рассекретили данные о НЛО в Казахстане

Старое пророчество начинает сбываться

Ученые призывают к серьезному изучению НЛО

Через пять лет сигареты будут продавать только в аптеках

Черная дыра пожирает солнцеподобную звезду

Ангелоподобный НЛО замечен около Солнца

Билл Гейтс сказал когда же это все кончится

Два НЛО замечены над Окинавой

Два НЛО замечены около Луны

Жена нашла потерянное 53 года назад кольцо мужа

ИИ поможет семейным парам развестись

Коронавирус. Начинает действовать план Б

НЛО пролетел около самолета Авакс

НЛО, вылетающий из вулкана Стромболи

Поймали питона длиной почти шесть метров

После встреч с крылатыми гуманоидами в жизни женщины начиналась череда неудач

Призраки Бутинского дворца

Проклятые камни из Помпеи

Редчайшая звездная система с необычным пылевым диском

Стала известна новая дата нового Конца Света

Тайна образования редкоземельных элементов

Трамп пообещал изучить информацию о НЛО

Флот НЛО пролетел над Лондоном

Хотите стать водитем беспилотного автомобиля

Этот год уже стал Годом Астероидов, но еще не конец

Антикитерский механизм – фрагмент древнего компьютера

Вулканом Сакурадзима всерьез интересуются НЛО

Девушка два года ходит синей, мечтая стать инопланетянкой

Жуткий случай на Хэллоуин

Король Артур был древним гигантом

На Бразилию снова что-то упало

Нашествие эльфов в Калифорнии

НЛО в центре Биробиджана

Почему человек не помнит себя младше трех лет

Проклятый дом на юго-западе Мичигана

Сколько проживет человек, питаясь одним только пивом

Странная связь между крушением самолета и аномалиями в домах

Удивительное оружие будущего

Уммитские письма инопланетян

Устройства, которые почти невозможно сломать

Хиллари Клинтон искала нефилимов

Хотите пожить в замке с привидениями

Что нужно ждать после появления в небе черепа

Ясновидящая Вера Лион дала прогноз на 2021 года

Бабочка размером с птицу замечена в Чернобыле

Взрыв на Тунгуске был вызван астероидом

Дачу с привидениями в Шуваловском парке продали

Древний храм во славу Тора и Одина нашли в Норвегии

Дюны, которым миллиард лет нашли на Марсе

Жуткий старик в углу

Загадочный шестиугольник Сатурна

Зафиксировано глобальное ухудшения общего самочувствия

ИИ предсказал движение молекул

Интенсивные тренировки помогут продлить жизнь

Камень, который слетал с Земли на Луну и обратно

Куда пропала девочка-рентген

Мир ждет катастрофа невообразимых масштабов

На конференции обсудили контроль искусственного интеллекта

НЛО заметили над Астраханью

Оригиналы известных детских сказок оказались страшнее триллера

Пентагон хочет использовать 5G в военных целях

Почему киты прыгают на яхты

Прожившие 56 лет в браке супруги умерли в один день

Российские астрологи вычислили новую дату конца света

Рука призрака на старом фотоснимке

Следы потоков воды нашли на астероиде Бенну

Сравнительные размеры самых больших астероидов

Укус комара превратил ногу мальчика в жуть

Целебные камни китайской народной медицины

Эволюция людей происходит быстрее, чем когда-либо

Электромобили поставили рекорд продаж в Норвегии

Ядовитые волосатые гусеницы атаковали Вирджинию

Ангелы показали ребенку Конец Света

Загадочный шар навещает жителей Южной Каролины

Злые призраки Гриффит-парка

Конец света наступит в ноябре 2020 года

Космические силы США должны были появиться 20 лет назад

Лучший документальный фильм о НЛО

Мальчик семь лет проходил с застрявшей в челюсти иглой

Мальчик собрал дома действующий ядерный реактор

Нечто в пустом доме

Обещанной Третьей мировой и Конца Света вроде не случилось

Первая легальная ГМ-пшеница вырастет в Аргентине

Самые мистические места в Великобритании

Сверхбыстрый НЛО снят над Нью-Гэмпширом

Сенситивы предупреждают – грядет новая чума

Статуя Сфинкса возле пирамиды на Марсе

Странный камень летит к Земле

Тайный проект Серпо

ФСБ поставила под угрозу развитие 5G в России

Холодный карлик и его обитатели

Что происходит при столкновении с экзопланет

Как открыть собственный боулинг-клуб

Автомобиль Маска пролетел рядом с Марсом

Астроном изобретает телескопы и верит в инопланетян

Белый шар замечен над аэропортом в Германии

Возможна ли жизнь на Земле без времен года

Группа НЛО замечена над Нью-Йорком

Древний храм обнаружен на Марсе

Древняя лестница в храм найдена на Марсе

Жизнь на Марсе уже есть

Исследуем замки и мистические места Львовщины

Как на самом деле выглядят инопланетяне

Кому подчиняются треугольные НЛО

Кто стоит за созданием глубинного государства

Метеорит взорвался в небе над Мексикой

Мужской пояс верности взломали хакеры

На Рождество нас ждет взрыв Луны

Облачный шар замечен над Техасом

Планеты могут формироваться во время роста звезды

Почему мы видим призраков

Птицу-гинандроморфа нашли в США

Реки Европы продолжают пересыхать, на очереди моря

Читайте:  Кто в доме хозяин

Решили геометрическую задачу возрастом 90 лет

Серебряная сфера над Нью-Гемпширом

Сравнительные размеры звездолетов

Тайны Сфинкса, сотни лет не дающие покоя

Три НЛО замечены в Гуанчжоу

Три НЛО замечены над Пенсильванией

Флот инопланетян пролетел над Нью-Йорком

Целебные свойства древесного гриба

Черный диск заметили над Германией

Энергетические существа над Великобританией

Водородные поезда появились на железных дорогах

Выделен грант на поиски мегалитов

Голштинских коров генного-модифицировали

Графеновые схемы станут вечным двигателем

Зонд попытается найти следы жизни на Венере

Из дерева создают прозрачный стеклоподобный материал

Как будет выглядеть пища будущего

Какого числа Хэллоуин

Механик в Аду. Кто раскроет тайны Венеры

Монстр больше двух лет пугал семью с Лабрадора

Мужчина с травмой мозга пробудился от снотворного

НАСА приступило к испытаниям лунных скафандров

Нашли способ строительства городов на Луне

Опрокинутый мир и Геополитика русской цивилизации

Певица Катя Лель рассказала о новой встрече с НЛО

Планетологи усомнились в обнаружении фосфина на Венере

Разработан алгоритм нейросетевого сжатия видео

Роботы уже здесь

Сиамские близнецы родились с двумя ногами и четырьмя руками

Тайна инопланетных имплантов

Тайны и мифы села Верхний Услон

Теории об эволюции человека

Физики превратили алмаз в металл

Французам предложили жить на деревьях

Четвертый вид микробов нашли в подледном озере Восток

Что обещает противостояние Земли и Марса

Что предсказал рижский Нострадамус

Что стало причиной потери сознания у школьников

Покупка подарка для руководителя

Вся правда о Тартарии

Джек Потрошитель. Следствие возобновляется

Дольмены – загадка древнее египетских пирамид

Источник: http://ufonews.su/news34/934.htm

Публикации: Прочее (рубрикатор)

Эксперименты по наблюдению «квантового Чеширского Кота»

Автор(ы): Игорь Иванов

15 августа 2014

of your page –>
Tweet

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, сообщается об экспериментальной реализации любопытного квантового состояния, описанного теоретиками год назад и окрещенного квантовым Чеширским Котом. В роли «Чеширского Кота» выступал нейтрон, а в роли улыбки — спин нейтрона. Проведенные измерения рисуют парадоксальную на первый взгляд картину: нейтрон внутри устройства двигался по одной траектории, а спин нейтрона — без самого нейтрона! — по другой. Однако вопиющая парадоксальность этой ситуации исчезает, если внимательно вчитаться в то, что именно в этом эксперименте происходит.

Парадоксальность квантовой механики

Научно-популярные рассказы о квантовых эффектах часто грешат излишней сенсационностью, подчеркнутой парадоксальностью. Нередко такая искусственно раздутая парадоксальность подкрепляется высказыванием Ричарда Фейнмана о том, что никто по-настоящему не понимает квантовой механики. Такая цитата специально усиливает впечатление, что физики-де сами не понимают того, что они получают в своих квантовых экспериментах. Это, конечно, не так. Законы квантового мира очень непривычны с точки зрения повседневной интуиции, от этого никуда не деться. Но это вовсе не значит, что в квантовом мире реализуются любые странности, какими бы дикими и противоречащими логике вещей они ни казались. Квантовые законы математически самосогласованы, и если ими воспользоваться, то разнообразные «квантовые парадоксы» — парадоксы с житейской точки зрения! — вполне распутываются.

На днях в журнале Nature Communications была опубликована статья с впечатляющим заголовком: «Наблюдение квантового Чеширского Кота в интерферометрическом эксперименте с волнами материи». В этой статье сообщается об осуществлении предложенного год назад эксперимента, демонстрирующего необычные свойства квантовых частиц (из той статьи 2013 года и пошел термин «квантовый Чеширский Кот»).

Броский термин обеспечил освещение новой статьи в многочисленных СМИ. В некоторых из них была даже сделана честная попытка пересказать суть явления. Вкратце, в эксперименте с нейтронами физикам удалось отщепить некоторое свойство нейтрона от его материальной сущности. Всё выходило так, как если бы нейтрон перемещался в установке по одному пути, а его характеристика — совсем по другому, по тому пути, на котором самой частицы не было. Это, разумеется, звучит парадоксально и сразу же вызывает вопрос «как такое может быть?». Впрочем, на этот естественный вопрос подавляющее большинство заметок молчаливо предлагало ничего не объясняющий ответ: «Да, вот такие чудеса бывают в квантовом мире».

Цель этой заметки — не столько рассказать о деталях экспериментальной работы, сколько отделить реальную суть явления от искусственно накрученной парадоксальности. Для ее понимания не требуется быть специалистом или «проходить» квантовую механику в университете; тут должно хватить поверхностного знакомства по научно-популярным материалам и немножко логики.

Два базовых квантовых факта

Начнем с двух базовых фактов. Во-первых, квантовая частица может одновременно находиться в разных местах. Обычно это объясняют на примере интерференции электрона, который пролетает одновременно сквозь две щели и образует на экране интерференционную картину (см., например, соответствующую главу из Фейнмановских лекций по физике). Мы это проиллюстрируем устройством, которое как раз использовалось в обсуждаемой статье, — интерферометром Маха—Цендера (рис. 2).

Частица (фотон, электрон, нейтрон и т. п.) влетает в устройство, расщепляется полупрозрачным зеркалом на входе на две «ипостаси», которые дальше летят по двум разным путям, и, наконец, снова воссоединяются в приемном устройстве. Подчеркнем: не просто пучок электронов или световой луч делится пополам, а каждый электрон или фотон идет сразу по двум путям. Вы можете физически встать посередине, и тогда каждый электрон будет обходить вас одновременно с двух сторон. Это очень непривычно, но так уж работает микромир.

Электрон, который идет одновременно по двум разным путям, — это один из примеров суперпозиции состояний. По законам квантовой механики, если электрон может находиться в состоянии A или в состоянии B, то он может также существовать и в состоянии A + B, то есть и там, и там одновременно. Эти состояния A и B могут быть двумя путями в интерферометре, или двумя поляризациями фотона, или их скоррелированными комбинациями (в таком случае эти величины называются квантово-запутанными), или еще чем-то. Широко известен и экстремальный случай суперпозиции — так называемый кот Шрёдингера (не путать с Чеширским Котом!), который, кстати, тоже ужеэкспериментально наблюдался — правда, не материальный, а многофотонный.

Во-вторых, процесс измерения какой-либо характеристики частицы описывается в квантовой механике совсем не так, как простое квантовое движение частицы. Сам акт измерения кардинально «портит» квантовое состояние. В результате измерения не только происходит переключение детектирующего прибора, но и само квантовое состояние резко изменяется, коллапсирует (самое простое описание см. в заметке Квантовая сутра, а чуть серьезнее — в Фейнмановских лекциях по физике или в книжке Как понимать квантовую механику).

Как в этом убедиться на примере интерферометра? Запустим поток частиц в исходный интерферометр, а датчик в конце будет отсчитывать их количество. Пусть начальное состояние частиц было суперпозицией верхнего и нижнего путей. Теперь проведем измерение — проверим, идет ли частица по нижнему пути. Поставим непрозрачную стенку на верхнем пути и посмотрим на показания датчика: частота отсчетов уменьшилась (рис. 3). Каждое срабатывание датчика говорит о том, что конкретная частица попалась на нижнем пути, но не все частицы так ловятся. Аналогично можно поставить и эксперимент по проверке того, идет ли частица по верхнему пути; он даст похожий результат.

Однако сам акт измерения, само наличие стенки изменило состояние частицы. После измерения частица ушла из состояния суперпозиции и теперь гарантированно идет по нижнему пути. На верхнем пути на рис. 3 частицы уже нет. И если теперь, после первой стенки, поставить вторую, но уже на нижнем пути, датчик замолчит. Это и понятно, ведь мы заблокировали оба пути для электрона, но это также иллюстрирует и тот факт, что после первого измерения состояние частиц резко поменялось.

Постселекция квантового состояния

Итак, если мы запустили частицу в интерферометр, то, в зависимости от своего квантового состояния Ψ, она может идти либо по одному пути, либо по другому, либо сразу и там, и там с некоторой амплитудой вероятности. Добавим теперь новую деталь в интерферометр — так называемую постселекцию, или «последующий выбор» квантового состояния. Для этого на выходе мы ставим сложную систему, которая анализирует квантовое состояние пришедшей частицы. Если это состояние точь-в-точь совпадает с некоторым сигнальным состоянием Φ, которое может отличаться от начального состояния Ψ, — частица летит в сигнальный детектор (рис. 4). Если это состояние совсем на него не похоже (на математическом языке — ортогонально сигнальному состоянию), частица уходит куда-то вбок и не попадает в детектор.

Читайте:  Как зовут главных персонажей из мультфильма; 101 далматинец

В эксперименте с постселекцией мы запускаем частицу и проводим над ней измерения, но потом учитываем результат только в случае срабатывания сигнального детектора. Говоря простыми словами, мы не просто измеряем свойство частицы, а сознательно изучаем ее в предвзятых условиях, в предвзятой выборке. Все вероятности, полученные в таком эксперименте, — не абсолютные, а условные, это вероятности при выполнении условий постселекции. И это сразу же заставляет нас аккуратно формулировать выводы такого эксперимента.

Квантовый Чеширский Кот: попытка 1

Опишем теперь эксперимент, предложенный в статье 2013 года, — эксперимент, который мы могли бы окрестить обнаружением квантового Чеширского Кота, если бы не последующее разоблачение. Для желающих повторить вычисления скажем, что все они простые и подробно описаны в статье; их может проделать любой, кто познакомился с математическим формализмом квантовой механики.

На вход интерферометра подается фотон, идущий по обоим путям и обладающий горизонтальной линейной поляризацией. Постселекция отбирает фотонное состояние Ψ в виде особенной суперпозиции: (верхний путь и горизонтальная поляризация) + (нижний путь и вертикальная поляризация). Теперь в таком эксперименте проводим два типа измерений. В первом эксперименте — он проводится по описанной выше методике — мы проверяем, по какому пути идет фотон. Результат измерения таков: он идет только по верхнему пути (рис. 5).

Во втором эксперименте мы с помощью специальной пластинки измеряем круговую поляризацию фотона (рис. 6). Результат таков: ненулевая поляризация детектируется только в нижнем пути. Вывод: сами фотоны идут по верхнему пути, а поляризация — отдельно от фотонов! — по нижнему.

Конечно, этот парадокс не настоящий, и он распутывается приведенными выше рассуждениями.

Во-первых, не надо считать, что в нижнем плече интерферометра, там, где регистрируется поляризация, нет совсем никаких фотонов. Они реально там есть. Просто в первом типе экспериментов измерение превращает этот фотон в несигнальное состояние. Их мог бы зарегистрировать какой-то другой датчик, но в нашем эксперименте с постселекцией мы такие события отбрасываем. Так пропадает главная «мистика»: поляризация не летит сама по себе, она физически переносится фотонами, но просто мы их решили не учитывать.

Во-вторых, эти два типа эксперимента — по проверке наличия фотона и по измерению его поляризации — неизбежно проводятся с разными фотонами, а не с одним и тем же. В интерферометр один за другим влетают фотоны в определенном состоянии. У первого фотона мы «спросили» на нижнем пути одну характеристику — и от этого он сколлапсировал в несигнальное состояние, у второго фотона мы «спросили» другую характеристику — и он сколлапсировал в сигнальное состояние. Ничего странного в том, что разные фотоны сколлапсировали по-разному при разных измерениях, нет.

Чтобы внести полную ясность, можно провести оба типа измерений одновременно над каждым конкретным пролетающим фотоном. В этом случае результаты изменятся (ведь после первого измерения состояние фотона резко меняется!), и возникает банальная картина: датчик срабатывает только тогда, когда мы обнаружили фотон на каком-то пути и обнаружили поляризацию на этом же пути (рис. 7). Таким образом, «полный допрос» фотона показывает, что поляризация летит именно там, где физически летит и сам фотон. От кажущегося парадокса не осталось и следа.

Квантовый Чеширский Кот: попытка 2

Итак, первая попытка создать систему, напоминающую квантового Чеширского Кота (рис. 1), не привела ни к чему интересному: при аккуратном обсуждении результатов кажущаяся мистичность тут же развеялась. Это был бы конец истории, если бы не новое, более тонкое свойство квантовых систем, которое и было предложено в статье 2013 года.

Авторы той статьи напоминают, что в квантовой механике существует и особый тип измерений — так называемые слабые измерения, которые проводятся как раз в опытах с постселекцией. В ходе слабого измерения прибор лишь слегка чувствует измеряемую характеристику частицы. Он также чуть-чуть воздействует на квантовое состояние частицы, но вовсе не приводит к абсолютно гарантированному коллапсу квантового состояния. В результате однократного слабого измерения мы получаем не слишком определенную информацию о состоянии частицы, зато и само состояние портится не слишком сильно — этакий компромисс между точностью и силой воздействия. Однако если повторить много раз слабое измерение над одинаковыми частицами, в среднем возникнет более-менее четкая картина изучаемой величины.

Вычисления, проведенные в теоретической статье, показали, что как раз с помощью слабых измерений квантовый Чеширский Кот наконец-то может быть получен. Сам эксперимент может выглядеть, как на рисунках в предыдущем разделе, но только измерения теперь — слабые. Многократно повторенное слабое измерение поляризации в эксперименте с постселекцией будет выдавать ненулевое значение в одном плече интерферометра, а такое же измерение наличия частицы — в другом. Но только теперь уже можно производить слабые измерения обоих типов одновременно. Опасности, что сам акт измерения полностью разрушит первоначальное состояние, уже нет. Но, повторимся, и мистики здесь тоже нет, поскольку все эти измерения не абсолютные, а условные, они берутся при условии срабатывания сигнального детектора, да и получаются лишь в среднем, после выполнения большого числа измерений.

Эксперимент

Осталось вкратце рассказать некоторые подробности про эксперимент, результаты которого сообщаются в новой статье. Проводились они не с электронами или фотонами, а с холодными нейтронами с длиной волны 1,92 ангстрема в Институте Лауэ—Ланжевена в Гренобле. Общая схема установки показана на рис. 8. Здесь тоже изображен интерферометр, на этот раз нейтронный. В качестве зеркал в нем работают пластинки из монокристаллического кристалла кремния (рис. 9), которые отражают и преломляют нейтроны своими кристаллическими плоскостями.

Манипуляция спином нейтрона на входе, выходе и внутри интерферометра производится специальными катушками с магнитным полем (ST1, ST2, SRs на рис. 8). Полупрозрачная для нейтронов пластинка (ABS) с коэффициентом пропускания 0,79 позволяет проверять, по какому из двух путей идет нейтрон (первый тип эксперимента). Дополнительное магнитное поле внутри интерферометра, поворачивающее спин на 20 градусов, вкупе с фазовой пластинкой (PS) позволяет измерить спин (второй тип эксперимента). На выходе стоят два детектора, сигнальный (O-Det) и проверочный (H-Det), которые регистрируют попадание нейтрона. Сигнальный используется для постселекции, проверочный — для контроля за интенсивностью нейтронного потока.

Основные результаты эксперимента показаны на рисунке 10. В каждой серии левый и правый рисунки показывают измерения, проведенные в верхнем и нижнем плече интерферометра; центральный рисунок — это контрольный замер при пустом интерферометре. Верхняя серия картинок — это эксперимент по проверке того, каким путем идет нейтрон, нижняя серия — эксперимент по измерению спина. Первый эксперимент надежно показывает, что нейтрон присутствует только в верхнем плече, поскольку именно там наблюдается эффект слабого блокирования от пластинки. Второй эксперимент показывает, что спин идет только по нижнему плечу, поскольку только там наблюдается эффект от поворота пластинки. Таким образом, нейтроны идут (с учетом постселекции!) по верхнему плечу, а спин детектируется только в нижнем. Однако ни к каким реальным парадоксам это не приводит.

Единственная вещь, которая в этом эксперименте, к сожалению, не была реализована, это одновременное измерение обеих величин для каждой пролетающей частицы. Поскольку всё сходится с квантовомеханическими предсказаниями, авторы работы уверяют, что такие же результаты получились бы и в этом случае. Однако для пущей наглядности такой эксперимент, конечно, хотелось бы реализовать.

Читайте:  Чем кормить папильона

Послесловие

После того как мистика развеялась, возникает естественный вопрос: что полезного может дать этот новый эффект? Здесь можно привести два примера. Во-первых, он поможет лучше изучить само по себе слабое измерение физических величин. Несмотря на четверть века их экспериментального исследования, физический смысл «слабо-измеренных» величин по-прежнему остается предметом споров. Собственно говоря, до сих пор нет консенсуса относительно того, в какой мере «слабо-измеренные» величины характеризуют реальные физические свойства частиц.

Во-вторых, возможны в принципе ситуации, когда мы хотим экспериментально изучить какой-нибудь тонкий физический эффект, зависящий от поляризации частицы, но не хотим, чтобы частица мешала нам своим зарядом или другими характеристиками. Не исключено, что окажется удобным проводить такие эксперименты не со свободными частицами, а внутри интерферометра с квантовым Чеширским Котом. В этом случае постселекция будет не просто любопытным трюком, а реально поможет устранить погрешности, вносимые в тонкое измерение. Правда, конкретные примеры таких экспериментов пока отсутствуют. Но поскольку эта тема активно развивается, не исключено, что они появятся через несколько лет и, может быть, даже лягут в основу новых сверхточных измерительных технологий.

Источник: T. Denkmayr et al. Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter-wave interferometer experiment // Nature Communications 5, 4492 (2014); статья находится в открытом доступе.

См. также:
1) Yakir Aharonov, Sandu Popescu, Daniel Rohrlich, and Paul Skrzypczyk. Quantum Cheshire Cats // New J. Phys. 15, 113015 (2013); статья находится в открытом доступе.
2) М. Г. Иванов. Как понимать квантовую механику. М.: РХД, 2012.

Источник: http://www.nanometer.ru/2014/08/14/kvantovie_sostoania_415193.html

Квантовый чеширский кот: частица тут, а ее свойства нет

Чеширский кот – это персонаж книги «Алиса в Стране чудес», который может исчезать, оставляя после себя одну улыбку. Алиса говорит ему, что часто видела котов без улыбки, но вот улыбку без котов – еще никогда. Физики вспомнили об этом примере, когда обнаружили, что некоторые частицы могут существовать без своих свойств, а некоторые свойства – без частиц. Звучит, конечно, довольно абсурдно. Разве можно слышать голос без человека или хлопок одной ладони? Но квантовую физику такими противоречиями не удивишь – частицы могут находиться в разных местах одновременно или сразу вращаться и по часовой стрелке, и против. Кот Шредингера вообще и жив, и мертв. Чеширскому в этом отношении повезло больше – его всего лишь разделили с улыбкой.

Якир Ааронов philippelopes.free.fr

В квантовой физике любое измерение меняет наблюдаемый объект. Например, если нам захочется узнать импульс частицы, тот факт, что мы его измеряем, повлияет на показатели. Причина искажения трактуется по-разному: это может быть и наблюдатель-человек, и сам прибор. В 1988 году израильский физик Якир Аааронов (Yakir Aharonov) высказал идею о новом типе квантово-механических измерений – слабом измерении, которое позволяет проводить расчеты, не вызывая возмущения волновой функции, то есть после проверки вектор состояния частицы не меняется. Грубо говоря, мы задаем измерительному устройству такие параметры, при которых оно нажимает на «квантовый пластилин» не с привычной нужной нам силой, а максимально слабо. Прибор возбуждает систему, как бы едва ее касаясь. Несмотря на то что некоторые ученые скептически оценивают слабое измерение, им пользуются в исследованиях.

Якира Ааронова можно считать крестным отцом Чеширского кота. Вместе с командой американских и израильских ученых в 2013 году он предложил использовать слабое измерение, чтобы кота «поймать». Уже через год в 2014 году международная группа исследователей провела эксперимент на нейтронном интерферометре в Институте Лауэ-Ланжевена во французском Гренобле. Устройство разработал Венский технологический университет. Статью с результатами опубликовали в журнале Nature Communications.

Так выглядит интерферометр. Фото: Laurent Thion, ILL, neutroninterferometry.com

Интерферометр был своего рода дорожным знаком, который с помощью кристаллов кремния разделял пучок нейтронов и отправлял их на развилке по двум разным дорогам. Нейтроны находились в состоянии суперпозиции, двигаясь и там, и там. Вдоль каждой трассы интерферометра создавалось слабое магнитное поле, взаимодействующее со спином. Затем две трассы вновь сходились. Нейтроны в этот момент проходили так называемую пост-селекцию, то есть выбор квантового состояния. Некоторые из них имели подходящие для ученых значения спина, именно с ними и работала команда исследователей. Слабые измерения проверяли местоположение частицы и ее магнитный момент. И теперь – улыбка кота – измерение показало, что нейтроны с нужным спином прошли один путь внутри интерферометра, а сами их спины – другой. Ну, это как если бы ваша машина поехала по одной трассе, а ее скорость – по соседней. Нейтрон играл роль Чеширского кота, а спин – его улыбки.

Схема экспериментальной установки. Нейтронный пучок показан зеленой линией. Спины нейтронов —
исследователей. Слабые измерения проверяли местоположение частицы и ее магнитный момент. И теперь – улыбка кота – измерение показало, что нейтроны с нужным спином прошли один путь внутри интерферометра, а сами их спины – другой. Ну, это как если бы ваша машина поехала по одной трассе, а ее скорость – по соседней. Нейтрон играл роль Чеширского кота, а спин – его улыбки.
черными стрелочками. Магнитные поля — красными стрелочками. (А) — спин-анализатор. В эксперименте на нейтринном интерферометре пучок нейтронов, имеющий направления спинов вверх и вниз, проходит через идеальный кристалл кремния (Р) и разделяется на две части. Далее оставляется поляризованный пучок, в котором все нейтроны имеют одинаковое направление спина (вверх на рисунке). Спиновращатель ST1 поворачивает спин вдоль траектории движения. Затем в блоке SRs создаются два пучка с ориентацией спинов в разные стороны: первый пучок нейтронов имеет спин вдоль траектории нейтронов, спин второго пучка направлен в противоположном направлении (предопределенные состояния). После прохождения разными путями оба пучка объединяют (PS) и наблюдают интерференцию пучков, отслеживаемых H и O детекторами (Det).
В детекторе О (O-Det) регистрируют только нейтроны, которые имеют спин вдоль направления движения (после-определенное состояние). Все остальные просто игнорируются. Совершенно очевидно, что эти нейтроны должны были путешествовать по первому пути, поскольку только там нейтроны имеют такое спиновое состояние. Это доказывается в эксперименте поочередной установкой на каждый путь филь тра (ABS), поглощающего небольшую часть нейтронов. Если второй пучок пропускается через фильтр, то регистрируемое число нейтронов остается неизменным. Если первый луч направляется через фильтр, число этих нейтронов уменьшается (на рисунке показан фильтр на первом пути). nature.com

В принципе, можно взять и другие частицы: фотоны или электроны – и работать с другими их свойствами – зарядом или магнитным моментом, силой связи с внешним магнитным полем. Отделение магнитного момента потенциально очень важно, потому что именно он часто служит основным виновником искажений, без него ученые смогут получить более «чистые» результаты. В целом, квантовый Чеширский кот не очень-то и нужен науке сам по себе. Но он может стать маленьким шагом к другим работам, мелькая улыбкой то тут, то там.

Источник: http://21mm.ru/news/nauka/kvantovyy-cheshirskiy-kot-chastitsa-tut-a-ee-svoystva-net/