Новое состояние кота Шредингера позволяет находиться сразу в двух местах одновременно
Скорее всего, вы слышали о парадоксе кота Шредингера. Речь идет о гипотетическом коте внутри коробки, находящемся одновременно в двух состояниях — живым и мертвым — до тех пор, пока мы не откроем коробку, чтобы посмотреть. Это так называемая квантовая суперпозиция. Так вот, физики Йельского университета выяснили, как сохранить оба состояния кота сразу в двух коробках. О своей работе ученые поделились на страницах журнала Science.
С технической точки зрения нет никакого кота. Речь идет о так называемом «состоянии кота», роль которого выполняют две (или больше) частицы, находящиеся одновременно в двух разных состояниях. В течение многих десятилетий «кот Шредингера» был лишь гипотетическим экспериментом, однако в 2005 году Национальный институт стандартов и технологий США на самом деле успешно создал настоящее «состояние кота» в лабораторных условиях. Для этого они использовали шесть атомов, находящихся в «состоянии со спином, ориентированным вверх» и в «состоянии со спином, ориентированным вниз». Чтобы было проще понять, представьте себе часы, одновременно идущие по часовой стрелке и против часовой. С тех пор своих эксперименты с «состояниями кота» проводят с фотонами.
Физики Йельского университета, в свою очередь, смогли выйти на новую ступень. Они не только использовали фотоны в квантовой суперпозиции состояний, они также запутали их. То есть, другими словами, они добились того, что при изменении состояния одного фотона изменялось бы состояние и другого фотона, даже если они находятся друг от друга разделенными. Следует отметить, что это один из самых сложных, запутанных и странных аспектов квантовой механики. Альберт Эйнштейн в свое время называл все это «жутким дальнодействием».
«Мы получили два маленьких и простых «кота Шредингера», оба находящихся в своих коробках и оба находящихся в состоянии запутанности».
Для создания состояния ученые построили маленькую камеру с двумя отдельными полостями из алюминия. Помещенные внутрь сверхвысокочастотные фотоны начали ударяться о стенки полостей, и благодаря этому ученым удалось соединить их с искусственным атомом сверхпроводящего сапфира. В результате получились два своеобразных живых/мертвых кота из микроволнового света и находящиеся в двух разных коробках в одно и то же время.
«У нас получился большой и умный кот. В одной коробке он не остается, так как квантовое состояние разделено между двумя полостями и не может быть описано раздельно», — говорит ведущий автор исследования Чен Ван.
«Можно также принять во внимание альтернативный вариант, при котором два маленьких и простых кота Шредингера, каждый в своей коробке, находится в запутанном состоянии».
Подобные исследования очень важны для будущего квантовых вычислений. В отличие от классических компьютеров, где используются биты, которые представляют собой нули и единицы, квантовые компьютеры хранят информацию в так называемых кубитах. Кубиты в свою очередь могут находиться сразу в двух состояниях — нуля и единицы, — прямо как кот Шредингера может находиться одновременно в состояниях «жив» и «мертв» до тех пор, пока никто не будет проводить наблюдение. Можно сказать, что состояние суперпозиции очень хрупко. Поэтому квантовая информация должна быть экранирована от любого рода шумов внешней среды. Ведь малейшая интерференция — например, один фотон столкнется с атомом, который используется для кодирования и хранения вашей информации, — сразу же вызовет «декогерацию» всей системы. Другими словами, суперпозиция квантового состояния будет утеряна, что приведет к сбоям всей системы.
Изучения состояний, в которых может находиться «кот», интересны потому, что могут быть очень полезны для хранения квантовой информации. А возможность создавать состояния кота в двух разных коробках, по словам соавтора исследования Роберта Шольскофа, является «первым шагом к созданию логической операции между двумя квантовыми битами и открытию возможности коррекции ошибок».