ПРИХОВАТИ

Дивний парадокс «квантового голубника» знайшов своє підтвердження

Команда дослідників з Каліфорнії провела експеримент, який підтвердив так званий парадокс «квантового голубника». Це один із перших експериментів, які дозволяють прямо продемонструвати властивості квантового світу, які прямо суперечать тому, що є для нас звичним у макросвіті.

Коти Шредінгера та голуби Діріхле

Квантова механіка контрінтуїтивна. Символом контрінтуїтивності квантової механіки є кіт Шредінгера, який у знаменитому уявному експерименті є і живим, і мертвим одночасно. Знаменитим він, перш за все, є завдяки своїй образності.

Петер Густав Діріхле

Однак самими лише котами біологічні уподобання математиків та фізиків не обмежувалися. Німецький математик 19 століття Йоган Діріхле увів до математики голубів. Свійські голуби часто живуть у великих ящиках із багатьма відділеннями – голубниках. Принцип Діріхле стверджує, що якщо голубів у голубнику на одного більше, ніж відділень, то хоча б в одному відділенні має сидіти не один, а два голуби. Ідея проста і зрозуміла кожному, але вона дозволяє легко довести купу достатньо складних математичних теорем.

Три фотони та дві поляризації

І усе б добре, але кілька років тому фізики-теоретики збагнули, що у квантовому світі принцип «голубів та ящиків» може не виконуватися. Розміщуючи три квантових об’єкти у двох групах, ми легко можемо отримати результат, коли жодна з груп не міститиме двох об’єктів. Винний у цьому той самий принцип суперпозиції, який дозволяє будувати квантові комп’ютери, набагато швидші за сучасні. Так само, як кілька бітів уміщаються у кубіті, так і «квантові голуби» вільно розміщуються у «квантовому голубнику».

Цієї зими було опубліковано статтю, у якій дослідники підтвердили парадокс «квантового голубника». Для цього вони відстежувати поляризацію фотонів, що попередньо були приведені у стан суперпозиції, тобто їх поляризація одночасно була і вертикальною, і горизонтальною. Далі частинки направили на інтерферометр, щоби остаточно встановити вид поляризації фотонів (так само, як і з відомим котом Шредінгера). Це мало б розділити частинки на два потоки, в одному з яких мало б бути дві частинки, а в іншому – одна. У цьому випадку вторинний детектор, який вимірює стан усіх трьох частинок окремо, мав би побачити характерні зсуви там, де дві частинки з однаковою поляризацією взаємодіють між собою.

Уявні голуби Діріхле допомогли перевірити концепцію у квантовому експерименті.

Але цього не відбувалося. Картина, яку дослідники спостерігали на вторинному детекторі, була повністю симетричною. Так, ніби усі три частинки знаходилися у різних квантових станах. Це доводить, що принцип Діріхле у квантовому світі дійсно поводить себе вкрай дивно. Якби це був реальний світ, то ми могли б поставити питанням про те, що якщо одна частинка знаходиться у стані горизонтальної поляризації, а інша – у стані вертикальної, то у якому ж знаходиться третя?

Квантовий світ та побутова логіка

У квантовому світі сама таке формулювання питання є невірним, бо частинка у стані суперпозиції може одночасно мати різну поляризацією з іншою частинкою і не мати однакової поляризації з третьою частинкою, поляризація якої теж відрізняється від поляризації другої. Власне, у поєднанні непоєднуваних станів і полягає принцип квантової суперпозиції.

Зворотній принцип діріхле говорить, що якщо касок менше, ніж відділень для них, то має бути принаймні одне вільне відділення. Фото: Forbes.com

Скоріш за все, поставлений експеримент не скоро знайде своє практичне застосування. Однак підтвердження принципу «квантового голубника» кидає виклик нашим уявленням про можливе і неможливе у цьому світі. Нехай і у масштабах квантів та у певних умовах, але вчені дійсно змогли продемонструвати явище, яке суперечить принципам, які ми звикли використовувати як залізний аргумент у багатьох дискусіях – від сімейного та суспільного життя, до економіки та технічних наук. Які це буде мати наслідки, побачимо у майбутньому.

PNAS (2019), doi: 10.1073/pnas.1815462116.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Total
57
Shares
57 Shares:
Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

Перегляньте також
Далі

Застосування інфрачервоних спостережень дозволило уточнити відстань до 150 мільйонів зір, відкритих “Gaia”

Дані з космічного телескопа Gaia та Європейської південної обсерваторії допомогли дослідникам встановити відстань до 150 мільйонів зірок.