Что такое кот Шредингера простыми словами?
Юрий Гордеев
Программист, гейм-девелопер, дизайнер, художник
«Кот Шредингера» — это мысленный эксперимент, предложенный одним из пионеров квантовой физики, чтобы показать, насколько странно квантовые эффекты выглядят применительно к макроскопическим системам.
Постараюсь объяснить действительно простыми словами: господа физики, не взыщите. Фраза «грубо говоря» подразумевается далее перед каждым предложением.
В очень, очень мелких масштабах мир состоит из вещей, ведущих себя весьма необычно. Одна из наиболее странных характеристик таких объектов — способность находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно.
Что с интуитивной точки зрения еще более необычно (кто-то даже скажет, жутковато) — акт целенаправленного наблюдения устраняет эту неопределенность, и объект, только что находившийся в двух противоречивых состояниях одновременно, предстает перед наблюдателем лишь в одном из них, как ни в чем не бывало, смотрит в сторонку и невинно посвистывает.
На субатомном уровне все к этим выходкам уже давно привыкли. Существует математический аппарат, описывающий эти процессы, и знания о них нашли самые разные применения: например, в компьютерах и криптографии.
На макроскопическом же уровне эти эффекты не наблюдаются: привычные нам объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии.
А теперь мысленный эксперимент. Берем кота и сажаем его в ящик. Туда же помещаем колбу с ядовитым газом, радиоактивный атом и счетчик Гейгера. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и наш кот погибнет. Если нет — кот останется жив.
Закрываем ящик. С этого момента с точки зрения квантовой механики наш атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50% и не распался с вероятностью 50%. До того, как мы откроем ящик и заглянем туда (произведем наблюдение), он будет находиться в обоих состояниях сразу. А поскольку судьба кота напрямую зависит от состояния этого атома, выходит, что кот тоже буквально жив и мертв одновременно (». размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях…» — пишет автор эксперимента). Именно так эту ситуацию описала бы квантовая теория.
Шредингер едва ли догадывался, какого шуму наделает его идея. Разумеется, сам эксперимент даже в оригинале описан чрезвычайно грубо и без претензии на научную аккуратность: автор хотел донести до коллег идею о том, что теорию необходимо дополнить более четкими определениями таких процессов, как «наблюдение», чтобы исключить сценарии с котами в ящиках из ее юрисдикции.
Идею кота использовали даже для того, чтобы «доказать» существование Бога как сверхразума, непрерывным своим наблюдением делающего возможным само наше существование. В действительности же «наблюдение» не требует наличия сознательного наблюдателя, что лишает квантовые эффекты некоторой доли мистики. Но даже при этом квантовая физика остается на сегодня фронтом науки с множеством необъясненных явлений и их интерпретаций.
Иван Болдин
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, выпускник МФТИ
Поведение объектов микромира (элементарных частиц, атомов, молекул) существенно отличается от поведения объектов, с которыми нам обычно приходится иметь дело. Например, электрон может пролетать одновременно через два пространственно удаленных места или находится одновременно на нескольких орбитах в атоме. Чтобы описать эти явления была создана теория — квантовая физика. По этой теории, например, частицы могут быть размазаны в пространстве, но если вы захотите определить, где же частица все-таки находится, то вы всегда обнаружите в каком-то месте всю частицу целиком, то есть она как бы схлопнется из своего размазанного состояния в какое-то определенное место. То есть считается, что пока вы не измерили положение частицы, она вообще не имеет положения, и физика только может предсказать, с какой вероятностью в каком месте вы можете обнаружить частицу.
Эрвин Шредингер, один из создателей квантовой физики, задался вопросом: а что, если в зависимости от от результата измерения состояния какой-нибудь микрочастицы происходит или не происходит какое-нибудь событие. Например, это можно было бы реализовать следующим образом: берется радиоактивный атом с периодом полураспада, скажем, час. Атом можно поместить в непрозрачный ящик, поставить туда устройство, которое при попадании на него продуктов радиоактивного распада атома разбивает ампулу с ядовитым газом, и посадить в этот ящик кота. Тогда вы извне не увидите, распался атом или нет, то есть по квантовой теории он одновременно распался и не распался, а кот, стало быть, одновременно жив и мертв. Такого кота стали называть котом Шредингера.
Может показаться удивительным, что кот может быть одновременно жив и мертв, хотя формально здесь нет противоречия и это не является опровержением квантовой теории. Однако могут возникнуть вопросы, например: кто может осуществить схлопывание атома из размазанного в определенное состояние, а кто при такой попытке сам переходит в размазанное состояние? Как протекает этот процесс схлопывания? Или как же получается, что тот, кто осуществляет схлопывание, сам не подчиняется законам квантовой физики? Имеют ли эти вопросы смысл, и, если да, то каковы на них ответы — до сих пор неясно.
George Panin
окончил РХТУ им. Д.И. Менделеева, главный специалист исследовательского департамента (маркетинговые исследования)
Как объяснил нам Гейзенберг, из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.
Теперь про кота. Всем известно, что коты любят прятаться в коробках (thequestion.ru). Эрвин Шредингер тоже был в курсе. Более того, с чисто нордическим изуверством он использовал эту особенность в знаменитом мысленном эксперименте. Суть его заключалась в том, что в коробке с адской машиной заперт кот. Машина через реле подсоединена к квантовой системе, например, радиоактивно распадающемуся веществу. Вероятность распада известна и составляет 50%. Адская машина срабатывает когда квантовое состояние системы меняется (происходит распад) и котик погибает полностью. Если предоставить систему «Котик-коробка-адская машина-кванты» самой себе на один час и вспомнить, что состояние квантовой системы описывается в терминах вероятности, то становится понятным, что узнать жив котик или нет, в данный момент времени, наверняка не получится, так же, как не выйдет точно предсказать падение монеты орлом или решкой заранее. Парадокс очень прост: волновая функция, описывающая квантовую систему, смешивает в себе два состояния кота — он жив и мертв одновременно, так же как связанный электрон с равной вероятностью может находится в любом месте пространства, равноудаленного от атомного ядра. Если мы не открываем коробку, мы не знаем точно, как там котик. Не произведя наблюдения (читай измерения) над атомным ядром мы можем описать его состояние только суперпозицией (смешением) двух состояний: распавшегося и нераспавшегося ядра. Кот, находящийся в ядерной зависимости, и жив и мертв одновременно. Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?
Копенгагенская интерпретация эксперимента говорит нам о том, что система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение, оно же измерение (коробка открывается). То есть сам факт измерения меняет физическую реальность, приводя к коллапсу волновой функции (котик либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого)! Вдумайтесь, эксперимент и измерения, ему сопутствующие, меняют реальность вокруг нас. Лично мне этот факт выносит мозг гораздо сильнее алкоголя. Небезызвестный Стив Хокинг тоже тяжело переживает этот парадокс, повторяя, что когда он слышит про кота Шредингера, его рука тянется к браунингу. Острота реакции выдающегося физика-теоретика связанна с тем, что по его мнению, роль наблюдателя в коллапсе волновой функции (сваливанию её к одному из двух вероятностных) состояний сильно преувеличена.
Конечно, когда профессор Эрвин в далеком 1935 г. задумывал свое кото-измывательство это был остроумный способ показать несовершенство квантовой механики. В самом деле, кот не может быть жив и мертв одновременно. В результате одной из интерпретаций эксперимента стала очевидность противоречия законов макро-мира (например, второго закона термодинамики — кот либо жив, либо мертв) и микро-мира (кот жив и мертв одновременно).
Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.
Источник
Российские физики научились делать кошек Шредингера «упитаннее»
Экспериментальная установка (фрагмент)
Российский квантовый центр
Физики из Российского квантового центра, МФТИ, Физического института РАН имени Лебедева и Университета Калгари разработали методику увеличения амплитуды состояний кота Шредингера. Это позволяет, например, увеличить количество фотонов, формирующих кота Шредингера. У метода нет формального ограничения «коэффициента усиления» — в теории он может позволить создать макроскопические квантовые состояния и «указать на границу между квантовым и классическим миром». Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает пресс-релиз, поступивший в редакцию N+1.
Кот (или, если быть точнее, кошка) Шредингера — известный мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шредингером. В нем животное оказывается в ящике с ядовитым газом, детектором радиоактивного распада и атомом радиоактивного изотопа с известным временем полураспада. Если детектор срабатывает, то газ выпускается из капсулы и кошка погибает. С точки зрения копенгагенской интерпретации квантовой механики можно описать состояние изотопа как суперпозицию двух состояний — распался и не распался, причем вероятность обнаружения двух этих состояний сравняется через время полураспада. Оба этих состояния существуют одновременно. Это значит, что в этот момент животное окажется одновременно живым и мертвым.
Эксперимент Шредингера показывал, насколько неестественными кажутся законы квантовой механики по отношению к макроскопическому миру. Однако создание, например, фотонов, находящихся в суперпозиции двух поляризаций уже является рутинной операцией в квантовой физике и оптике. Одним из неразрешенных вопросов остается то, насколько большой может быть система, находящаяся в квантовой суперпозиции.
Так, например, в случае фотонов, максимальное количество частиц, одновременно существовавших в суперпозиции, не превышало четырех. Авторы новой работы предложили способ, как можно неограниченно увеличивать это число, а с ним и амплитуду волновой функции состояния.
Схема установки. Слева располагаются два модуля, генерирующие исходные состояния котов Шредингера. Светоделители в них позволяют определять моменты, когда генерация происходит одновременно. Затем оба состояния попадают на светоделитель, который и объединяет их в новое, более «упитанное» состояние кота Шредингера. Один из модулей в верхнем правом углу «ищет» события, когда ни одного из двух фотонов не отразилось от светоделителя, другой исследует состояние обновленного кота Шредингера
Demid V. Sychev et al / Nature Photonics, 2017
Как рассказывает соавтор работы, Анастасия Пушкина, идею эксперимента предложили еще в 2003 году австралийские физики. В его основе лежит интерференция двух фотонов — «котов Шредингера» — на светоделителе. Последний представляет собой полупрозрачную призму, отражающую часть фотонов и пропускающий другую. Он выступает в роли элемента, который запутывает между собой фотоны, попадающие на него. При этом возникают ситуации, когда два запутанных фотона одновременно отражаются — соответственно, ни одного фотона не проходит сквозь светоделитель. Оказывается, что при этом два запутанных фотона образуют состояние кота Шредингера с удвоенной энергией.
Эксперимент был устроен следующим образом. На первом этапе физики одновременно генерировали сжатые состояния света с помощью двух оптически нелинейных кристаллов — они играли роль изначальных котов Шредингера. Затем эти состояния направлялись на светоделитель. На одном из выходов из светоделителя происходило измерение — если оказывалось, что ни одного фотона не вышло в это плечо прибора, то на втором плече изучалось состояние нового, более «упитанного» кота Шредингера, состоявшего уже из двух фотонов.
Таким способом авторам удалось создать состояния, состоящие из 3,4 фотонов. Физики повторили эксперимент около 40 тысяч раз, и в каждой пятой попытке удавалось обнаружить увеличение амплитуды. Для того чтобы создать еще более «упитанных» котов Шредингера, потребуется многоступенчатая установка. Например, для увеличения числа фотонов с 2 до 16 потребуется три ступени удвоения. С учетом вероятности успешного соединения фотонов (один случай из пяти) потребуется около пяти тысяч исходных «котов» чтобы создать одного, обладающего в восемь раз большей энергией.
Создание оптических состояний — «упитанных» котов Шредингера преследует не только фундаментальные интересы. Подобные объекты необходимы в протоколах квантовой криптографии, квантовой телепортации и так далее. При этом, чем выше амплитуда состояния (и чем больше в него входит фотонов), тем надежнее работают методы. Существующие методы позволяют работать с состояниями с небольшой амплитудой, но отсутствие ошибок в них достигается большим количеством повторов.
Схема эксперимента Хонга-У-Мандела. Оба фотона в эксперименте попадут в один и тот же детектор из-за их неразличимости
Источник
