Это оптический аналог кошки Шрёдингера

«Это оптический аналог кошки Шрёдингера»

Российский ученый создал оптический аналог кошки Шрёдингера

Экспериментальная установка в Российском квантовом центре

Фотография: Александр Львовский

  Павел Котляр

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?

Механику запутали на четверть миллиметра

Физикам удалось квантовым образом запутать механические колебания двух систем. Где проходит граница между классическим и квантовым описанием мира, и... →

— 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.