Як фізики планують визначити межі між мікро і макросвітом

Група вчених з Європи планує визначити межі між мікроскопічним квантовим світом і звичним нам світом великих об'єктів, з'ясувати: що таке квантова суперпозиція і чому це важливо; яку користь можуть принести людям незвичайні стани елементарних частинок.

Вчені готують пристрій, який дозволить визначити, за яких умов відбувається колапс квантового стану об'єкта. Експеримент може відкрити нову еру в дослідженнях квантової механіки.

Що може перебувати в двох станах одночасно, крім Олега Винника, який дає по 10 концертів на день в межах Житомирської області? Правильно, квантові частинки в стані суперпозиції.

На відміну від Винника, стан суперпозиції частинок порушується, коли у квантовій системі з’являється спостерігач. Але це не заважає вченим досліджувати одне з найзагадковіших явищ у квантовій механіці і поступово виводити його на все більші масштабів.


Кіт Шредінгера

Про проблему кота Шредінгера і те, наскільки важлива суперпозиція для розробки квантових комп’ютерів писали вже не один раз. Так, досягти цього стану можна винятково на найменшому рівні, який недоступний для людського ока, і вчені поки тільки намагаються зрозуміти, як керувати незвичайними властивостями елементарних частинок.

У перспективі, ми зможемо використовувати квантову суперпозицію для зберігання і обробки інформації на абсолютно новому рівні, не кажучи вже про зміни, які можуть статися в нашому розумінні класичної фізики.

Наблизити цей момент намагаються дослідники проекту TEQ (Testing the large-scale limit of quantum mechanics): міжнародна група вчених під керівництвом фізиків з Університетського коледжу Лондона працює над пристроєм, який дозволить дізнатися, чому порушується суперпозиція елементарних частинок і де розташована межа між квантовим світом і світом зі звичними нам законами фізики.

Що планують зробити вчені?

Дослідники з TEQ, куди входять кілька європейських університетів, працюють над пристроєм, який дозволить поекспериментувати з квантовим станом частинок кварцу. Про це пише журнал Smithsonian. Повідомляється, що експеримент проведуть все ще над дуже дрібними частинками, але вони будуть більшими, ніж будь-які об'єкти, які коли-небудь використовували в подібних дослідженнях до цього.

Головна мета експерименту — визначити, наскільки великими можуть бути об'єкти, які проявляють квантові властивості. Іншими словами, вчені повинні будуть провести межу між світом квантової фізики, який багато в чому описав датський теоретик Нільс Бор, і більш звичним для нас макросвітом, де діють закони загальної теорії відносності австрійця Альберта Ейнштейна.

Річ у тім, що крім розбіжностей в поясненні фізики між Ейнштейном і Бором, в квантовій механіці також є теорії, які суперечать одна одній. Зокрема, згідно з Копенгагенською інтерпретацією квантової механіки, одним з авторів якої був той же Бор, квантовий стан об'єкта (у цьому випадку — корпускулярно-хвильовий дуалізм) порушується, коли він взаємодіє з атомами вимірювального приладу.

Простіше кажучи, спостерігач зупиняє суперпозицію, ляскаючи по руці однієї з двох сторін монети, яка постійно обертається у повітрі. Найяскравіший приклад спостерігача — відкриття коробки з котом Шредінгера, після чого ми можемо дізнатися, живий кіт або мертвий, адже до цього уявна тварина перебуває у стані невизначеності або суперпозиції.

Неповнота Копенгагенської інтерпретації проявляється у тому, що її автори не змогли пояснити, що саме можна назвати процесом вимірювання і як конкретно спостерігач порушує квантову систему. Через ці розбіжності Ейнштейн сказав свою відому фразу про те, що «Бог не грає в кості», на що Бор нібито йому відповів: «Не вказуйте Богу, що йому робити».

Заповнити цю прогалину в теорії Бора в середині 1980-х спробували італійські фізики Джанкарло Гірарді, Альберто Ріміні і Тулліо Вебер, які описали свою теорію об'єктивного колапсу хвильової функції. Теорію назвали ГРВ, на честь самих вчених.

Згідно ГРВ, суперпозиція квантового об'єкта порушується спонтанно, і факт вимірювання тут не має ніякого значення. Вчені припустили, що ймовірність колапсу суперпозиції буде збільшуватися при переході до макроскопічних систем. Тобто чим більший об'єкт — тим більш ймовірно, що він буде перебувати у суперпозиції дуже короткий час, і відразу ж перейде до однозначного стану.

Ось чому люди та інші великі об'єкти (крім Винника, звичайно) перебувають лише в одному стані у будь-який час, а елементарні частинки можуть проявляти описану вище суперпозицію. Перевірити теорію ГРВ якраз і збираються вчені з TEQ, вимірюючи колапс хвильової функції в, як вони це називають, «макроскопічному експериментальному пристрою».

«Якщо фізики зможуть виміряти цей колапс в дії — це означає, що модель правильна. Можна сказати, що на цьому моменті закінчується квантова механіка і почнеться класична механіка. Це було б приголомшливо», — говорить один з дослідників TEQ фізик з Університетського коледжу Лондона Пітер Баркер.

Суть експерименту в такому: вчені планують піддати дії електричного поля нанометрову частинку кварцу (розміром приблизно в 1000 разів менше людської волосини) у холодному замкнутому просторі. Через це коливання атомів об'єкта повинні наблизитися до нуля, проявляючи квантові властивості.

Після цього частинку кварцу атакують лазерним пучком, і розсіювання світла повинно засікти рух або спокійний стан діоксиду кремнію, з якого складається кварц. Якщо рух об'єкта підтвердять — теорія ГРВ буде доведена, і вчені зможуть визначити, на якому саме етапі відбувається колапс хвильової функції квантової частинки. Якщо ж фізики не побачать подібних сигналів — експеримент все одно надасть важливі дані про квантову природу елементарних частинок.

Найбільш складним в цьому експерименті буде ізолювання об'єкта від зовнішнього фізичного впливу — фонових шумів, які вчені можуть помилково прийняти за квантові рухи. Експеримент планують провести протягом наступного року в Університеті Саутгемптона в Великобританії.

У будь-якому з випадків дослідження вчені зможуть віддалити квантову механіку від її численних «багатосвітових інтерпретацій» і наблизитися до реального розуміння того, що відбувається з об'єктами на цьому рівні.

І там і тут

Вчені з TEQ — далеко не перші, хто захотів наочно перевірити стан суперпозиції деяких об'єктів в небувалому раніше масштабі. Якщо бути точним, перший подібний експеримент провели ще на початку XIX століття: тоді англійський учений Томас Юнг довів, що фотони — найдрібніші частинки світла — виявляють властивості хвилі.

Дослід Юнга полягав у тому, що через бар'єр з двома щілинами пропускали фотони, після чого на екрані за бар'єром утворювався інтерференційний узор — зображення, характерне для хвиль, коли їх пропускають крізь ті ж дві щілини і вони поступово гасять одна одну.

Вже на початку минулого століття американські фізики Клінтон Девідсон і Лестер Джермер повторили експеримент Юнга з електронами — складовими атомів. Як виявилося, найпростіші частинки не тільки світла, але й будь-якої іншої матерії також проявляють властивості частинок і хвиль одночасно. Вже сучасні фізики, враховуючи дослідників з TEQ, почали гадати, що і як саме порушує хвильову функцію елементарних частинок.

У пошуках відповіді на це питання буквально кілька місяців тому представники Віденського університету в Австрії та Базельського університету в Швейцарії повторили дослід Юнга з об'єктом, розміри якого значно перевищують все, над чим проводили подібні експерименти до цього.

Вчені досягли квантової суперпозиції молекули, яка складається з 2000 атомів. Ця молекула називається «оліготетрафенілпорфірін, збагачений фторалкілсульфанільнимі ланцюгами».

Фізики з Австрії та Швейцарії досягли квантового стану цього об'єкта за допомогою спеціально розробленого інтерферометра, який, як і в досліді Юнга, вистрілював потоком таких молекул через бар'єр з декількома щілинами.

Правда, спостерігати хвильовий ефект у такої великої молекули набагато складніше, оскільки чим важче об'єкт — тим коротше у нього хвилі для створення інтерференційного візерунка. Для порівняння, 2000-атомна піддослідна молекула важила у 25 тис. разів більше за один атом водню.

Як і у випадку з прийдешнім експериментом TEQ, вченим довелося виключити всі зовнішні чинники, на кшталт гравітаційного впливу Землі, які могли б вплинути на точність експерименту. В результаті промінь з величезних молекул дозволив детекторам засікти інтерференційну картинку і експеримент довів, що квантові властивості матерії можуть проявлятися навіть в таких масштабах.

«Наші результати показують відмінне узгодження з квантовою теорією і не можуть бути пояснені класичною фізикою. Межі інтерференції досягають більше 90% очікуваної видимості, і кінцеве значення макроскопічності в 14,1 представляє збільшення на порядок в порівнянні з попередніми експериментами», — писали автори дослідження.

Чому квантова суперпозиція так важлива?

Квантова суперпозиція представляє величезний інтерес не тільки з точки зору теоретичної фізики, а й для цілком прикладних цілей, — створення квантових комп’ютерів.

Знаходження елементарних частинок у двох станах одночасно лежить в основі роботи квантових процесорів, над якими зараз працюють в Google і IBM. Винахід такої речовини, яка могло б довгий час перебувати в стані квантової суперпозиції дозволило б ученим виконати обчислення, неможливі для класичних комп’ютерів.

Якщо в звичних нам обчислювальних машинах в якості мінімальної одиниці інформації використовуються біти, які можуть мати тільки одне значення (Стан) — 0 або 1, квантові комп’ютери будуть оперувати абсолютно новим типом інформації - кубітами.

Одне з двох значень бітів забезпечують транзистори — звичні нам напівпровідники, які використовують у всіх сучасних гаджетах. Замість цього, у квантових комп’ютерах використовують надпровідні матеріали, які можуть підтримувати суперпозицію кубіта, що перебуває в буквальному сенсі у двох станах одночасно. Тобто, представляючи відразу і 0 і 1.

Саме це властивість кубітів дозволить нам обробляти набагато більшу кількість інформації. Крім цього, математична перевага кубітів перед бітами в тому, що при додаванні однієї одиниці вони подвоюють потужність всієї мікросхеми, а додавання одного біта до іншого все одно вимагає колосальних обсягів транзисторів і мікросхем для вирішення складних завдань.

Раніше експерти підрахували, що створення квантового комп’ютера потужністю у 300 кубітів буде відповідати класичному комп’ютеру з кількістю бітів, що дорівнює кількості атомів у Всесвіті, — приблизно 91-значне число.

Головна проблема квантових комп’ютерів полягає в нестабільності надпровідних матеріалів, які можуть переходити в квантовий стан лише на деякий час. Тому всі обчислення діючих квантових комп’ютерів носять лише технічний характер і не становлять особливої цінності для науки.

Зараз вчені тільки намагаються знайти спосіб об'єднання фізичних та хімічних властивостей надпровідників, які можуть підтримувати квантовий стан тільки при дуже низьких температурах, з процесорами звичайних комп’ютерів, які працюють в прийнятних для нас умовах. Без цього, обчислення, які виконає квантова система будуть марними, оскільки ми просто не зможемо їх обробити.

Як вже писало НВ, фізики працюють над створенням квантового комп’ютера трохи більше 30 років, і перший робочий пристрій такого типу має зробити революцію абсолютно у всіх сферах життя. Передбачається, що першою сферою застосування квантових комп’ютерів стане хімія: створивши алгоритм, який дозволить аналізувати нескінченну кількість різних речовин і їх властивостей, машина допоможе вченим розробити найміцніші, найлегші, найбезпечніші та найефективніші матеріали.

Однак, крім гіпотетичних досягнень в медицині, машинобудуванні, виробництві гаджетів і т. і., квантові комп’ютери також можуть стати небезпечним інструментом: одна з квантових змов передбачає, що перший політичний уряд, в руки якого потрапить робочий квантовий комп’ютер, зможе зламати будь-які технології шифрування і отримати доступ до електронних систем безпеки всіх країн світу.

Згідно з документами, які опублікував колишній співробітник ЦРУ Едвард Сноуден, Національне агентство безпеки США ще у 2013-му виділило близько $80 млн на створення квантового комп’ютера, який зможе обійти більшість типів цифрового захисту.

Джерело: НВ