Может быть способ подкрасться к вершине кошки Шредингера - знаменитый мысленный эксперимент на основе кошачьих, который описывает таинственное поведение субатомных частиц - без окончательного убийства (гипотетического) животного.
Невезучий воображаемый кот одновременно жив и мёртв внутри коробки или существует в суперпозиции «мертвых» и «живых» состояний, так же как субатомные частицы существуют в суперпозиции многих состояний одновременно. Но заглядывание внутрь коробки меняет состояние кошки, которая затем становится либо живой, либо мертвой.
Однако теперь исследование, опубликованное 1 октября в «New Journal of Physics», описывает способ потенциально заглянуть в кошку, не заставляя ее жить или умирать. При этом он способствует пониманию учеными одного из самых фундаментальных парадоксов в физике.
В нашем обычном крупномасштабном мире взгляд на объект, кажется, не меняет его. Но достаточно увеличить масштаб, и это не так.
«Обычно мы думаем, что цена, которую мы платим за поиск, - ничто», - сказал ведущий автор исследования Хольгер Ф. Хофманн, доцент физики в Университете Хиросимы в Японии. «Это неправильно. Чтобы смотреть, у вас должен быть свет, а свет меняет объект». Это потому, что даже один фотон света передает энергию от или к объекту, который вы просматриваете.
Хофманн и Картик Патекар, который в то время был приглашенным студентом в университете Хиросимы и сейчас работает в Индийском технологическом институте в Бомбее, задались вопросом, есть ли способ посмотреть, не «заплатив цену». Они приземлились на математической основе, которая отделяет начальное взаимодействие (глядя на кота) от показаний (зная, живо это или нет).
«Нашей основной мотивацией было очень внимательно посмотреть на то, как происходит квантовое измерение», - сказал Хофманн. «И ключевым моментом является то, что мы разделяем измерение в два этапа».
Таким образом, Хоффман и Патекар могут предположить, что все фотоны, участвующие в начальном взаимодействии или взглянуть на кошку, захватываются без потери какой-либо информации о состоянии кошки. Таким образом, до считывания все, что нужно знать о состоянии кошки (и о том, как она изменилась), все еще доступно. Только когда мы зачитываем информацию, мы теряем часть ее.
«Что интересно, так это то, что процесс считывания выбирает один из двух типов информации и полностью стирает другой», - сказал Хофманн.
Вот как они описали свою работу в терминах кошки Шредингера. Скажем, кошка все еще в коробке, но вместо того, чтобы заглядывать внутрь, чтобы определить, жива ли кошка или нет, вы устанавливаете камеру вне коробки, которая может каким-то образом сфотографировать ее (ради мысленного эксперимента, игнорировать тот факт, что физические камеры на самом деле не работают так). Как только изображение сделано, камера получает два вида информации: как кошка изменилась в результате съемки (то, что исследователи называют квантовой меткой) и является ли кошка живой или мертвой после взаимодействия. Ни одна из этой информации еще не потеряна. И в зависимости от того, как вы решите «разработать» изображение, вы извлекаете ту или иную часть информации.
Подумайте о подбрасывании монет, сказал Хофманн Live Science. Вы можете либо узнать, была ли подброшена монета, либо она в данный момент имеет голову или хвост. Но вы не можете знать оба. Более того, если вы знаете, как была изменена квантовая система, и если это изменение обратимо, то можно восстановить ее начальное состояние. (В случае монеты вы бы перевернули ее обратно.)
«Вы всегда должны сначала нарушить работу системы, но иногда вы можете отменить ее», - сказал Хофманн. С точки зрения кошки, это означало бы сделать снимок, но вместо того, чтобы развить его, чтобы ясно видеть кошку, развить его таким образом, чтобы вернуть кошку в мертвое и мертвое состояние.
Важно отметить, что выбор показаний приходит с компромиссом между разрешением измерения и его помехой, которые в точности равны, демонстрирует статья. Разрешение относится к тому, сколько информации извлечено из квантовой системы, а нарушение относится к тому, насколько система необратимо изменилась. Другими словами, чем больше вы знаете о текущем состоянии кошки, тем больше вы безвозвратно ее изменили.
«Что меня удивило, так это то, что способность устранять возмущение напрямую связана с тем, сколько информации вы получаете о наблюдаемой», или о физической величине, которую они измеряют, сказал Хофманн. «Математика здесь довольно точная».
Хотя предыдущая работа указывала на компромисс между разрешением и возмущением в квантовом измерении, эта статья является первой, чтобы количественно определить точные отношения, сказал в интервью Live Science по электронной почте Майкл Холл, физик-теоретик из Австралийского национального университета.
«Насколько я знаю, никакие предыдущие результаты не имеют формы точного равенства в отношении разрешения и помех», - сказал Холл, который не принимал участия в исследовании. «Это делает подход в документе очень аккуратным».
