Квантовый чеширский кот: частица тут, а ее свойства нет

Чеширский кот – это персонаж книги «Алиса в Стране чудес», который может исчезать, оставляя после себя одну улыбку. Алиса говорит ему, что часто видела котов без улыбки, но вот улыбку без котов – еще никогда. Физики вспомнили об этом примере, когда обнаружили, что некоторые частицы могут существовать без своих свойств, а некоторые свойства – без частиц. Звучит, конечно, довольно абсурдно. Разве можно слышать голос без человека или хлопок одной ладони? Но квантовую физику такими противоречиями не удивишь – частицы могут находиться в разных местах одновременно или сразу вращаться и по часовой стрелке, и против. Кот Шредингера вообще и жив, и мертв. Чеширскому в этом отношении повезло больше – его всего лишь разделили с улыбкой.

Якир Ааронов philippelopes.free.fr 

В квантовой физике любое измерение меняет наблюдаемый объект. Например, если нам захочется узнать импульс частицы, тот факт, что мы его измеряем, повлияет на показатели. Причина искажения трактуется по-разному: это может быть и наблюдатель-человек, и сам прибор. В 1988 году израильский физик Якир Аааронов (Yakir Aharonov) высказал идею о новом типе квантово-механических измерений – слабом измерении, которое позволяет проводить расчеты, не вызывая возмущения волновой функции, то есть после проверки вектор состояния частицы не меняется. Грубо говоря, мы задаем измерительному устройству такие параметры, при которых оно нажимает на «квантовый пластилин» не с привычной нужной нам силой, а максимально слабо. Прибор возбуждает систему, как бы едва ее касаясь. Несмотря на то что некоторые ученые скептически оценивают слабое измерение, им пользуются в исследованиях.

Якира Ааронова можно считать крестным отцом Чеширского кота. Вместе с командой американских и израильских ученых в 2013 году он предложил использовать слабое измерение, чтобы кота «поймать». Уже через год в 2014 году международная группа исследователей провела эксперимент на нейтронном интерферометре в Институте Лауэ-Ланжевена во французском Гренобле. Устройство разработал Венский технологический университет. Статью с результатами опубликовали в журнале Nature Communications.

Так выглядит интерферометр. Фото: Laurent Thion, ILL, neutroninterferometry.com

Интерферометр был своего рода дорожным знаком, который с помощью кристаллов кремния разделял пучок нейтронов и отправлял их на развилке по двум разным дорогам. Нейтроны находились в состоянии суперпозиции, двигаясь и там, и там. Вдоль каждой трассы интерферометра создавалось слабое магнитное поле, взаимодействующее со спином. Затем две трассы вновь сходились. Нейтроны в этот момент проходили так называемую пост-селекцию, то есть выбор квантового состояния. Некоторые из них имели подходящие для ученых значения спина, именно с ними и работала команда исследователей. Слабые измерения проверяли местоположение частицы и ее магнитный момент. И теперь – улыбка кота – измерение показало, что нейтроны с нужным спином прошли один путь внутри интерферометра, а сами их спины – другой. Ну, это как если бы ваша машина поехала по одной трассе, а ее скорость – по соседней. Нейтрон играл роль Чеширского кота, а спин – его улыбки.

В принципе, можно взять и другие частицы: фотоны или электроны – и работать с другими их свойствами – зарядом или магнитным моментом, силой связи с внешним магнитным полем. Отделение магнитного момента потенциально очень важно, потому что именно он часто служит основным виновником искажений, без него ученые смогут получить более «чистые» результаты. В целом, квантовый Чеширский кот не очень-то и нужен науке сам по себе. Но он может стать маленьким шагом к другим работам, мелькая улыбкой то тут, то там.