Класичний приклад суперпозиції включає в себе бомбардування фотонами двох паралельних щілин у бар’єрі. Одним з основних аспектів квантової механіки є те, що крихітні частинки можуть поводитися як хвилі, отже ті, що проходять через одну щілину, “перешкоджають” тим, які проходить через іншу, їх хвильові пульсації або підсилюють або скасовують одна одну, щоб створити характерний малюнок на екрані детектора. Однак магія у тому, що це перешкоджання відбувається навіть тоді, коли тільки одна частинка вистрілюється за один раз. Частинці вдається якось пройти через обидві щілини одночасно, змішуючись сама з собою. Це і є суперпозиція.
Плутанина зростає, коли справа доходить до вимірювань. Вони неминуче вкажуть, що частинка проходить лише через одну щілину, але тоді хвильова інтерференція (“квантовість”) зникає. Сам акт вимірювання, здається, “згортає” суперпозицію.
“Ми знаємо, що щось підозріле відбувається в суперпозиції. Але вам не дозволяють це виміряти. Це робить квантову механіку настільки диявольською”.
– фізик Авшалом Еліцур з Ізраїльського інституту перспективних досліджень.
Протягом десятиліть дослідники застрягають у цьому очевидному глухому куті. Вони не можуть точно сказати, що відбувається в суперпозиції, не поглянувши на неї; але якщо вони таки намагаються подивитися, то вона зникає.
Метод формалізму двох векторів стану
Одне з потенційних рішень, розроблених колишнім наставником Еліцура, ізраїльським фізиком Якіром Аароновим, передбачає спосіб простежити за квантовими частинками перед їх вимірюванням. Підхід Ааронова називається формалізмом двох векторів стану (TSVF, two-state-vector formalism) квантової механіки, згідно з яким квантові події в певному сенсі визначаються квантовими станами не тільки в минулому, але й у майбутньому. Тобто, TSVF постулює, що квантова механіка працює і вперед, і назад у часі. З цієї точки зору причини, здається, можуть поширюватися назад у часі та відбуватися після їх наслідків.
Але не варто сприймати цю дивну ідею буквально. Радше, TSVF допомагає отримати ретроспективне знання про те, що трапилось в квантовій системі, вибравши певний результат: замість того, щоб просто вимірювати, де частинка зупиняється, дослідник вибирає конкретне місце, де її шукати. Багато “слабких” вимірювань на множині заплутаних частинок дозволяє отримати статистичне середнє. Це називається пост-відбір, і він надає більше інформації, ніж спроба отримати усі дані шляхом звичайних вимірювань.
Це відбувається тому, що стан частинки в будь-який момент часу оцінюється ретроспективно в світлі всієї її історії, до вимірювання та під час нього. Все виглядає так, ніби дослідник, обираючи пошук конкретного результату, призводить до того, що результат стається. Це трохи схоже на вмикання телевізора в певний час для перегляду програми: ваша дія змушує цю програму розпочинатися в той самий момент.
Експерименти, які були раніше
Для прикладу візьмемо експеримент з подвійною щілиною, розроблений Аароновим та його колегою Л.Вайдманом у 2003 р., який вони інтерпретували через TSVF. Колеги описали (але не побудували) оптичну систему, де один фотон виступає в якості “затвора”, який закриває щілину, змусивши інший фотон “зонд”, що наближається до щілини, бути відбитим назад. Застосовуючи пост-відбір для вимірювання фотону-зонда, можна було б розрізнити затворний фотон в суперпозиції, що закриває одночасно обидві (або більше) щілини. Іншими словами, це мисленнєвий експеримент теоретично дозволив би з упевненістю сказати, що затворний фотон одночасно є “тут” і “там”. Хоча ця ситуація здається парадоксальною для нашого повсякденного досвіду, це один з добре вивчених аспектів так званих “нелокальних” властивостей квантових частинок, де поняття чітко визначеного місця в просторі розчиняється.
У 2016 році фізики Рьо Окамото і Шигекі Такеучі з Кіотського університету підтвердили передбачення Ааронова та Вайдмана експериментально, використовуючи світловий ланцюг, в кому затворний фотон створюється за допомогою квантового маршрутизатора – пристрою, який дозволяє одному фотону контролювати маршрут, пройдений іншим. За словами Еліаху Коена з Університету Оттави в Онтаріо, це був новаторський експеримент, який дозволив визначити одночасне положення частинки в двох місцях.
Новий експеримент
Тепер Еліцур і Коен об’єдналися з Окамото і Такеучі, щоб провести ще розумніший експеримент. Вони вважають, що це дозволить дослідникам чітко визначити розташування частинки в суперпозиції у серії різних точок часу – до того, як буде здійснено будь-яке фактичне вимірювання.
На цей раз маршрут фотона-зонда буде розділений на три частини за допомогою дзеркал. Уздовж кожного з цих шляхів зонд може взаємодіяти із затворним фотоном у суперпозиції. Ці взаємодії можуть розглядатися як такі, що мають місце в коробках із позначкою A, B та C, одна з яких розташована уздовж кожного з трьох можливих шляхів фотону. Дивлячись на “самоперешкоджання” фотона-зонда, можна ретроспективно зробити висновок, що фотон-затвор був у певній коробці в певний час.
/фото Amanda Montañez
Ці дані, як стверджує Еліцур та його колеги, є заслугою TSVF. Очевидне зникнення частинок в одному місці в один час, а також їх повторна поява в інших місцях і часі свідчить про нове і неординарне бачення основних процесів, що беруть участь у нелокальному існуванні квантових частинок. Через об’єктив TSVF, за словами Еліцура, це мерехтливе, постійно мінливе існування можна сприймати як серію подій, в яких присутність частинки в одному місці якось “скасовується” власною “контрчастинкою” в тому ж самому місці.
Він порівнює це з припущенням, зробленим британським фізиком Полем Діраком у 1920-х роках, який стверджував, що частинки володіють античастинками, і якщо вони об’єднані, частинка і античастинка можуть анігілювати одна одну. Спочатку це припущення сприймали виключно як привід для цікавої розмови, проте згодом саме воно призвело до відкриття антиматерії. Зникнення квантових частинок – це не “анігіляція”, але деяка аналогія все ж є – ці уявні контрчастинки повинні мати негативну енергію та негативну масу, що дозволяє їм “відміняти” свої колег.
Нарешті кінець
Хоча традиційні погляди на суперпозицію “два місця одночасно” здаються нам незвичними, на думку Еліцура, все може бути набагато цікавіше. Квантова механіка просто говорить про їхнє середнє значення. Пост-відбір дає змогу ізолювати та перевіряти лише деякі з цих станів, вважає він. Така інтерпретація квантової поведінки буде “революційною”, оскільки спричинить досі нерозгаданий звіринець справжніх (але дуже дивних) станів, що лежать в основі суперечливих квантових явищ.
Дослідники говорять, що проведення фактичного експерименту вимагатиме тонкого налаштування продуктивності квантових маршрутизаторів, але вони сподіваються, що їх система буде готова через три-п’ять місяців. Проте деякі зовнішні спостерігачі зовсім не чекають на нього, затамувавши подих. На їх думку, якщо експеримент працюватиме, він не доведе нікому нічого, адже його результати і так передбачені стандартною квантовою механікою.
