Группа ученых из Европы планирует определить границы между микроскопическим квантовым миром и привычным нам миром больших объектов, выяснить: что такое квантовая суперпозиция и почему это важно; какую пользу могут принести людям необычные состояния элементарных частиц.
Ученые готовят устройство, которое позволит определить, при каких условиях происходит коллапс квантового состояния объекта. Эксперимент может открыть новую эру в исследованиях квантовой механики.
Что может находиться в двух состояниях одновременно, кроме Олега Винника, который дает по 10 концертов за день в пределах Житомирской области? Правильно, квантовые частицы в состоянии суперпозиции.
В отличие от Винника, состояние суперпозиции частиц нарушается, когда в квантовой системе появляется наблюдатель. Но это не мешает ученым исследовать одно из самых загадочных явлений в квантовой механике, и постепенно выводить его на все большие масштабы.
Кот Шредингера
О проблеме кота Шредингера и том, насколько важна суперпозиция для разработки квантовых компьютеров, писали не раз. Да, достичь этого состояния можно исключительно на мельчайшем уровне, который недоступен человеческому глазу, и ученые пока только пытаются понять, как управлять необычными свойствами элементарных частиц.
В перспективе, мы сможем использовать квантовую суперпозицию для хранения и обработки информации на совершенно новом уровне, не говоря уже об изменениях, которые могут произойти в нашем понимании классической физики.
Приблизить этот момент пытаются исследователи проекта TEQ (Testing the large-scale limit of quantum mechanics): международная группа ученых под руководством физиков из Университетского колледжа Лондона работает над устройством, которое позволит узнать, почему нарушается суперпозиция элементарных частиц, и где находится граница между квантовым миром и миром с привычными нам законами физики.
Что планируют сделать ученые?
Исследователи из TEQ, куда входят несколько европейских университетов, работают над устройством, которое позволит поэкспериментировать с квантовым состоянием частиц кварца. Об этом пишет журнал Smithsonian. Сообщается, что эксперимент проведут все еще над очень мелкими частицами, но они будут больше, чем любые объекты, которые когда-либо использовали в подобных исследованиях до этого.
Главная цель эксперимента — определить, насколько большими могут быть объекты, которые проявляют квантовые свойства. Иными словами, ученые должны будут провести границу между миром квантовой физики, который во многом описал датский теоретик Нильс Бор, и более привычным для нас макромиром, где действую законы общей теории относительности австрийца Альберта Эйнштейна.
Дело в том, что кроме расхождений в объяснении физики между Эйнштейном и Бором, в квантовой механике также есть теории, которые противоречат друг другу. В частности, согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики, одним из авторов которой был тот же Бор, квантовое состояние объекта (в этом случае — корпускулярно-волновой дуализм) нарушается, когда он взаимодействует с атомами измерительного прибора.
Проще говоря, наблюдатель останавливает суперпозицию, хлопая по руке одной из двух сторон монеты, которая постоянно вращается в воздухе. Самый яркий пример наблюдателя — открытие коробки с котом Шредингера, после чего мы можем узнать, жив кот или мертв, ведь до этого воображаемое животное находится в состоянии неопределенности т. е. суперпозиции.
Неполнота Копенгагенской интерпретации проявляется в том, что ее авторы не смогли объяснить, что именно можно назвать процессом измерения и как конкретно наблюдатель нарушает квантовую систему. Из-за этих расхождений Эйнштейн сказал свою известную фразу о том, что «Бог не играет в кости», на что Бор якобы ему ответил: «Не указывайте Богу, что ему делать».
Восполнить этот пробел в теории Бора в середине 1980-х попытались итальянские физики Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебер, которые описали свою теорию объективного коллапса волновой функции. Теорию назвали ГРВ, в честь самих ученых.
Согласно ГРВ, суперпозиция квантового объекта нарушается спонтанно, и факт измерения здесь не играет никакой роли. Ученые предположили, что вероятность коллапса суперпозиции будет увеличиваться при переходе к макроскопическим системам. То есть, чем больше объект — тем более вероятно, что он будет находиться в суперпозиции очень короткое время, и сразу же перейдет к однозначному состоянию.
Вот почему люди и другие большие объекты (кроме Винника, конечно) находятся только в одном состоянии в любое время, а элементарные частицы могут проявлять описанную выше суперпозицию. Проверить теорию ГРВ как раз и собираются ученые из TEQ, измеряя коллапс волновой функции в, как они это называют, «макроскопическом экспериментальном устройстве».
«Если физики смогут измерить этот коллапс в действии — это означает, что модель верна. Можно сказать, что на этом моменте заканчивается квантовая механика и начнется классическая механика. Это было бы потрясающе», — говорит один из исследователей TEQ физик из Университетского колледжа Лондона Питер Баркер.
Суть эксперимента в следующем: ученые планируют подвергнуть действию электрического поля нанометровую частичку кварца (размером примерно в 1000 раз меньше человеческого волоса) в холодном замкнутом пространстве. Из-за этого колебания атомов объекта должны приблизиться к нулю, проявляя квантовые свойства.
После этого частичку кварца атакуют лазерным пучком, и рассеивание света должно засечь движение или спокойное состояние диоксида кремния, из которого состоит кварц. Если движение объекта подтвердят — теория ГРВ будет доказана, и ученые смогут определить, на каком именно этапе происходит коллапс волновой функции квантовой частицы. Если же физики не увидят подобных сигналов — эксперимент все равно предоставит важные данные о квантовой природе элементарных частиц.
Наиболее сложным в этом эксперименте будет изолирование объекта от внешнего физического воздействия — фоновых шумов, которые ученые могут по ошибке принять за квантовые движения. Эксперимент планируют провести в течение следующего года в Университете Саутгемптона в Великобритании.
В любом из исходов исследования ученые смогут отдалить квантовую механику от ее многочисленных «многомировых интерпретаций», и приблизиться к реальному пониманию того, что происходит с объектами на этом уровне.
И там и тут
Ученые из TEQ — далеко не первые, кто захотел наочно проверить состояние суперпозиции некоторых объектов в небывалом ранее масштабе. Если быть точным, первый подобный эксперимент провели еще в начале XIX столетия: тогда английский ученый Томас Юнг доказал, что фотоны — мельчайшие частицы света — проявляют свойства волны.
Опыт Юнга заключался в том, что через барьер с двумя щелями пропускали фотоны, после чего на экране за барьером образовывался интерференционный узор — изображение, которое характерно для волн, когда их пропускают сквозь те же две щели и они постепенно гасят друг друга.
Уже в начале прошлого века американские физики Клинтон Дэвидсон и Лестер Джермер повторили эксперимент Юнга с электронами — составляющими атомов. Как оказалось, простейшие частицы не только света, но и любой другой материи также проявляют свойства частиц и волн одновременно. Уже современные физики, включая исследователей из TEQ, начали гадать, что и как именно нарушает волновую функцию элементарных частиц.
В поисках ответа на этот вопрос буквально несколько месяцев назад представители Венского университета в Австрии и Базельского университета в Швейцарии повторили опыт Юнга с объектом, размеры которого значительно превышают все, над чем проводили подобные эксперименты до этого.
Ученые достигли квантовой суперпозиции молекулы, которая состоит из 2000 атомов. Эта молекула называется «олиготетрафенилпорфирин, обогащенный фторалкилсульфанильными цепями».
Физики из Австрии и Швейцарии достигли квантового состояния этого объекта с помощью специально разработанного интерферометра, который, как и в опыте Юнга, выстреливал потоком таких молекул через барьер с несколькими щелями.
Правда, наблюдать волновой эффект у такой большой молекулы гораздо сложнее, поскольку чем тяжелее объект — тем короче у него волны для образования интерференционного узора. К сравнению, состоящая из 2000 атомов подопытная молекула весила в 25 тыс. раз больше одного атома водорода.
Как и в случае с грядущим экспериментом TEQ, ученым пришлось исключить все внешние факторы, по типу гравитационного воздействия Земли, которые могли бы повлиять на точность эксперимента. В итоге луч из огромных молекулы позволил детекторам засечь интерференционный узор и эксперимент доказал, что квантовые свойства материи могут проявляться даже в таких масштабах.
«Наши результаты показывают отличное согласование с квантовой теорией и не могут быть объяснены классической физикой. Границы интерференции достигают более 90% ожидаемой видимости, и конечное значение макроскопичности в 14,1 представляет увеличение на порядок по сравнению с предыдущими экспериментами», — писали авторы исследования.
Почему квантовая суперпозиция так важна?
Квантовая суперпозиция представляет огромный интерес не только с точки зрения теоретической физики, но и для вполне прикладных целей, — создания квантовых компьютеров.
Нахождение элементарных частиц в двух состояниях одновременно лежит в основе работы квантовых процессоров, над которыми сейчас работают в Google и IBM. Изобретение такого вещества, которое могло бы долгое время находиться в состоянии квантовой суперпозиции позволило бы ученым произвести вычисления, невозможные для классических компьютеров.
Если в привычных нам вычислительных машинах в качестве минимальной единицы информации используются биты, которые могут иметь только одно значение (состояние) — 0 или 1, квантовые компьютеры будут оперировать абсолютно новым типом информации — кубитами.
Одно из двух значений битов обеспечивают транзисторы — привычные нам полупроводники, которые используют во всех современных гаджетах. Вместо этого, в квантовых компьютерах используют сверхпроводящие материалы, которые могут поддерживать суперпозицию кубита, находящегося в буквальном смысле в двух состояниях одновременно. То есть, представляя сразу и 0 и 1.
Именно это свойство кубитов позволит нам обрабатывать гораздо большее количество информации. Кроме этого, математическое преимущество кубитов перед битами в том, что при добавлении одной единицы они удваивают мощность всей микросхемы, а добавление одного бита к другому все равно требует колоссальных объемов транзисторов и микросхем для решения сложных задач.
Ранее эксперты подсчитали, что создание квантового компьютера мощностью в 300 кубитов будет соответствовать классическому компьютеру с количеством битов, равным количеству атомов во Вселенной, — примерно 91-значное число.
Главная проблема квантовых компьютеров заключается в нестабильности сверхпроводящих материалов, которые могут переходить в квантовое состояние лишь на некоторое время. Поэтому все вычисления действующих квантовых компьютеров носят лишь технический характер и не представляют особой ценности для науки.
Сейчас ученые только пытаются найти способ объединения физических и химических свойств сверхпроводников, которые могут поддерживать квантовое состояние только при очень низких температурах, с процессорами обычных компьютеров, которые работают в приемлемых для нас условиях. Без этого, вычисления, которые выполнит квантовая система будут бесполезными, поскольку мы просто не сможем их обработать.
Как уже писало НВ, физики работают над созданием квантового компьютера чуть более 30 лет, и первое рабочее устройство такого типа должно произвести революцию абсолютно во всех сферах жизни. Предполагается, что первой сферой применения квантовых компьютеров станет химия: создав алгоритм, который позволит анализировать бесконечное количество разных веществ и их свойств, машина поможет ученым разработать самые прочные, легкие, безопасные и эффективные материалы.
Однако, кроме гипотетических достижений в медицине, машиностроении, производстве гаджетов и т. д., квантовые компьютеры также могут стать опасным инструментом: один из квантовых заговоров предполагает, что первое правительство, в руки которого попадет рабочий квантовый компьютер, сможет взломать любые технологии шифрования и получить доступ к электронным системам безопасности всех стран мира.
Согласно документам, которые опубликовал бывший сотрудник ЦРУ Эдвард Сноуден, Национальное агентство безопасности США еще в 2013-м выделило около $80 млн на создание квантового компьютера, который сможет обойти большинство типов цифровой защиты.
Источник: НВ
