Результати експерименту американських вчених можуть призвести до перегляду основ квантової механіки. Це в свою чергу може призвести до переосмисленням фундаментальної картини світу, в якому ми живемо

Про кота Шредінгера не чули в наші дні хіба що пацієнти психіатричних клінік, яким не вмикають телевізор, і мешканці віддалених тихоокеанських архіпелагів.

Найбільший внесок в популяризацію кота Шредінгера зробили кілька років тому автори відомого серіалу Теорія Великого вибуху.

Герой телешоу фізик Шелдон Купер намагався за допомогою цього прикладу пояснити неосвіченої офіціантці Пенні, що її стосунки з молодим чоловіком знаходяться в невизначеному стані до тих пір, поки пара не почне зустрічатися.

Кот Шредінгера чи живий, чи то мертвий, а можливо, ще й існує в декількох місцях одночасно

З точки зору Шелдона, саме уявний експеримент великого фізика Шредінгера з котом в закритій коробці, доля якого не визначена, поки коробка не буде відкрита, найкраще ілюстрував загадковість людських відносин.

Автори серіалу, очевидно, хотіли пожартувати на тему того, наскільки погано вчений-соціопат розбирається в людях, але, можливо, Шелдон був не так уже й далекий від істини.

Недавній експеримент фізиків з Єльського університету свідчить , Що квантова механіка може докорінно змінити картину світу, яку ми звикли керуватися. І знову прорив став можливий завдяки горезвісному коту.

Суперпозиція

Австрійський фізик-теоретик Ервін Шредінгер, мабуть, не настільки відомий широкій публіці, як Альберт Ейнштейн чи Нільс Бор. Але його внесок у сучасну фізику величезний.

Шредінгер - один з батьків квантової механіки, лауреат Нобелівської премії. У його честь навіть названі площа у Відні, один з місячних кратерів і астероїд середніх розмірів.

Свій знаменитий уявний експеримент, назавжди обезсмертив його ім'я, Шредінгер запропонував в 1935 році в статті, яка була частиною наукової дискусії за участю Альберта Ейнштейна.

Шредінгер намагався якомога переконливіше висловити своє уявлення про природу квантової механіки. Зокрема, описати стан "суперпозиції", яке представляє собою змішання двох станів об'єкта в момент, коли спостерігач з ним не взаємодіє.

Суть уявного експерименту Шредінгера полягає в наступному.

У сталевій камері замкнений кіт. Разом з ним в камеру поміщена "пекельна машина", що представляє собою лічильник Гейгера з крихітним кількістю радіоактивної речовини. Настільки крихітним, що протягом години може розпастися тільки один атом. Але ймовірність того, що він розпадеться - 50 на 50. Тобто вона дорівнює ймовірності того, що розпад не відбудеться.

Якщо атом все ж розпадеться, то зчитує трубка розрядиться і спрацює реле, яке спустить молот, який розбиває колбу з синильною кислотою.

Іншими словами, протягом кожної години ймовірність того, що кіт буде жити, становить 50 на 50.

Стан кота (живий він чи мертвий) не ясно, поки спостерігач не відкриє сталеву камеру. І поки цього не станеться, стан кота буде описуватися як "суперпозиція", тобто він живий і мертвий одночасно. Відкривши камеру, спостерігач змінить квантовий стан кота.

Уявлення про те, що об'єкт може мати "суперпозицією", з тих пір є фундаментальним посилом квантової механіки. Зокрема, саме на цьому базується напрямок квантових комп'ютерів, які загрожують перевернути світову IT-індустрію.

подвійний кіт

Вчені з Єльського університету провели експеримент, який дозволив розширити і "посилити" уявний експеримент Шредінгера.

Вчені зробили "кота" з 80 фотонів, які були заплутані між собою в резонаторі. Резонатор являє собою прилад, який задає всім фотонам однакову довжину.

І таких резонаторів в Єльському експерименті було два. Вчені пов'язали їх між собою замкнутим полупроводником.

Квантова механіка обіцяє людству радикальні наукові прориви вже в найближчому майбутньому, впевнені вчені

Таке "роздвоєння" кота Шредінгера дозволило поєднати ідею австрійського фізика з іншого домінуючою концепцією квантової механіки - квантової заплутаності.

Теорія квантової заплутаності допускає, що локальне спостереження за об'єктом дозволяє віддалено змінювати його стан.

Простіше кажучи, в ході єльского експерименту то, що відбувається з фотонами в одному резонаторі, повинно відображатися на фотонах в другій камері. Ейнштейн, який передбачав, що таке можливо, колись назвав це явище "моторошним взаємодією".

На практиці вийшло не так вже й страшно.

Камера, вибудувана з алюмінію, складалася з двох порожнин, всередині яких був запущений мікрохвильової світло. Надвисокочастотні фотони почали битися в стінки порожнин, що дозволило їм з'єднуватися з атомом штучного надпровідного сапфіра.

Квантова заплутаність дозволила зміни стану одного фотона міняти стан іншого фотона, хоча вони були розділені.

За словами Чена Уонга, одного з авторів дослідження, суть експерименту полягала в тому, що доля фотонів в двох резонаторах пов'язана. "Це великий і розумний кіт, стан якого розділене між двома порожнинами і не може бути описано окремо", - пояснює Чен.

Великий фізик Ервін Шредінгер задав світу загадку, яка може призвести до серйозного наукового прориву

Іншими словами, в ході експерименту стало зрозуміло, що "кіт" може не тільки бути одночасно і живим, і мертвим, але і взагалі перебувати в двох різних місцях. Природно, до тих пір, поки один з резонаторів не буде "відкритий".

Але найголовніше - про існування живого / мертвого подвійного "кота" можна дізнатися, тільки якщо "відкрити" обидва резонатора - в іншому випадку спостерігач побачить набір не пов'язаних один з одним фотонів.

Що це означає?

Єльський експеримент обіцяє скоро знайти собі застосування в області квантових комп'ютерів.

Раніше передбачалося, що квантові комп'ютери можуть робити обчислення відчутно швидше, ніж звичайні, саме завдяки можливостям, які надає суперпозиція.

У звичайному комп'ютері інформація зберігається в бітах, кожен з яких може мати лише одне значення (0 або 1). Квантові комп'ютери зберігають інформацію в кубітах, які можуть перебувати в "суперпозиції", тобто мати більше, ніж одне значення в певний момент часу. Це дає можливість багаторазово збільшувати продуктивність системи.

Але після Єльського експерименту в області квантових комп'ютерів намічається новий прорив. Адже виходить, що обчислювальні осередки можна множити і ділити між собою, зберігаючи між ними зв'язок, а отже, знову-таки нарощувати загальну продуктивність системи.

Крім того, експеримент цінний і своїми масштабами. 80 фотонів - це вже дуже великий "кіт". Не за горами момент, коли вчені зможуть створити "кота", якого можна буде побачити неозброєним поглядом. Це дозволить нарешті зрозуміти, чому люди не відчувають квантових ефектів в реальному житті.

Про важливість досліджень вчених з Єльського університету свідчить і той факт, що їх фінансує підрозділ наукових досліджень при Міністерстві оборони США.