Кота Шредингера можно спасти, даже не заглядывая в ящик
Ученые использовали искусственный атом, чтобы показать возможность сохранения кота Шредингера в живом состоянии в течение неопределенного срока, а также ускорения наступления его кончины. Для того и этого даже не нужно заглядывать в ящик, в котором этот самый кот обычно сидит (или не сидит). Использование классических аналогий вроде этой может показаться упрощением или странностью, но для науки это очень важно. Они показывают, как реальность обретается на фундаментальном уровне, и могут привести к появлению лучших инструментов, которые физики используют в квантовой инженерии.
Ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе решили выяснить наверняка, нужно ли вообще собирать информацию из квантовой системы — или, проще говоря, смотреть на частицу — чтобы повлиять на ее поведение. Может «тормошения» будет достаточно?
Внимание, спойлер: они выяснили, что смотреть не обязательно.
Немного истории: кот, ящик и эффекты Зенона
Если кто не знает, что это за кот Шредингера, напомним легенду. Согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики, физический объект (вроде атома) не имеет определенных свойств, пока мы не проводим его измерения. В ответ на это физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент. Он предположил, что если такая интерпретация верна, мы могли бы поместить радиоактивное вещество в небольшой контейнер рядом со счетчиком Гейгера, связать счетчик с молотком и поместить молоток над капсулой с кислотой, чтобы тот раздавил ее в момент распада атома.
Если все это засунуть в ящик с котом, мы не сможем измерить свойства атома, потому что, насколько мы знаем, атом одновременно распался и не распался (на то он и полураспад). Как следствие, кот будет и жив и мертв одновременно, пока мы не заглянем внутрь.
Такова легенда. Но у нее двойное дно.
В 1974 году ученые задались вопросом: зависит ли время жизни нестабильной системы от измерительного устройства?
Этот парадокс стал известен как квантовый эффект Зенона: что произойдет, если мы будем непрерывно наблюдать за нестабильным атомом? Распадется ли он?
Согласно эффекту Зенона, при постоянном наблюдении он никогда не испустит ни единой частицы излучения. В 1989 году это было впервые продемонстрировано в эксперименте, проведенном Национальным институтом стандартов и технологий США, и странная гипотеза стала странной реальностью.
Уже через десять лет был предложен противоположный эффект Зенона — эффект Антизенона. Частое измерение радиоактивного атомного ядра может ускорить его распад, в зависимости от процесса.
Осталось только понять, что такое «измерение».
Чтобы измерить нечто вроде радиоактивного атома, провести наблюдение над ним и считать его параметры и свойства, с ним нужно как-то взаимодействовать, чтобы информация вышла наружу в каком-нибудь виде. В процессе этого множество возможностей атома схлопываются в единый исход, который мы и видим. Но является ли это схлопывание причиной эффекта Зенона? Или можно ли ускорить или замедлить распад атома, не приводя к его схлопыванию в абсолютное состояние?
Зенон против Антизенона
Все это возвращает нас к эксперименту, проведенному Вашингтонским университетом.
Чтобы определить, будет ли передача информации форсировать эффект Зенона или Антизенона, ученые использовали устройство, которое во многом ведет себя как атом со множеством энергетических состояний.
Этот «искусственный атом» смог испытать гипотезу, как энергетические состояния — электромагнитные моды — могут влиять на эти эффекты.
«Скорость атомного распада зависит от плотности возможных энергетических состояний, или электромагнитных мод, при заданной энергии», говорит исследователь Кейтер Мерч. «Чтобы атом распался, он должен испустить фотон в одной из этих мод. Больше мод — значит больше способов распада, значит быстрее распад».
Точно так же меньше мод означает меньше опций для распада, чем объясняется, почему атомный горшок под постоянным наблюдением никогда не сварит. Мерч и его команда сумели манипулировать числом мод в своем искусственном атоме, прежде чем использовать стандартные измерения, проверяя его состояние каждую микросекунду и ускоряя или замедляя его «распад».
«Эти измерения представляют собой первое наблюдение двух эффектов Зенона в единой квантовой системе», говорит Мерч.
Чтобы убедиться, что именно наблюдение или вмешательство оказалось ключевым, ученые сделали так называемое квазиизмерение, которое создает помехи, не приводя к коллапсу атомного состояния. Каким будет результат, не знал никто.
«Но собираемые целыми днями данные последовательно показывали, что квазиизмерения приводили к эффектам Зенона так же, как и обычные измерения», говорит Мерч.
Следовательно, именно нарушение в процессе измерения, а не само непосредственное измерение приводит к появлению эффектов Зенона и Антизенона.
Зная это, мы можем применять новые методы управления квантовыми системами с использованием динамики Зенона.
Что же все это означает для бедного кота Шредингера?
«Эффект Зенона говорит, что если мы проверим кота, мы обнулим часы распада атома и сохраним жизнь коту», говорит ученый Патрик Харрингтон. «Но трюк заключается в том, что эффекты Зенона связаны с нарушением, а не с информацией, а значит даже нет необходимости заглядывать в ящик, чтобы их вызвать. Те же эффекты будут иметь место, если вы просто встряхнете коробку».