Группа британских и израильских исследователей разработала методику эксперимента, который позволяет изучить феномен «квантового Чеширского Кота». Ученые надеются понять то, каким образом можно увидеть свойства частицы отдельно от ее самой. Подробности приводит Phys.org со ссылкой на статью физиков в New Journal of Physics.
Суть эффекта заключается в том, что определить поляризацию фотона за счет его квантовой природы можно там, где этого фотона в принципе быть не должно. Схема опыта, в котором должен появиться «Чеширский Кот», была при этом предложена ранее, хотя и не реализована на практике. В ней фигурирует лазерный луч, который разделяется на две части: условно их можно назвать левой и правой соответственно. После сборки установка настраивается так, что фотон в принципе не может попасть в правую часть, поскольку отразиться в этом направлении он не может. Тем не менее, в эту часть можно поставить детектор, который точно определяет поляризацию и он сработает, несмотря на отсутствие частицы.
Физики использовали название «Чеширский Кот», так как этот персонаж «Алисы в стране чудес» был котом, от которого иногда оставалась только улыбка. Регистрация поляризации фотона без обнаружения фотона аналогично наблюдению улыбки кота без самого кота: как отмечают сами ученые, это очевидное противоречие здравому смыслу. Чтобы выяснить его природу, исследователи ранее предлагали использовать детектор, который способен обнаружить фотон и одновременно определить его поляризацию. Но теоретические расчеты показали, что такая схема на самом деле поменяет условия проведения опыта так, что свет сможет пройти по правому пути. Поэтому она непригодна для проверки эффекта «Чеширского Кота».
В новой работе предлагается использовать так называемые слабые измерения. Это означает, что фотон и его поляризация обнаруживаются без изменения их квантового состояния. Чтобы осуществить подобное измерение можно использовать простую стеклянную пластину, поставленную поперек левого пути под небольшим углом и вместо однопиксельного детектора взять ПЗС-матрицу: устройство, которое используется в цифровых фотокамерах как светочувствительный элемент. Если свет пройдет в таком опыте по левому пути, то он за счет преломления отклонится в сторону и пятно на детектора сдвинется вверх: а если по правому, то сдвиг будет не виден. Это и есть слабое измерение, поскольку фотон в процессе не разрушается и его поляризация при проходе через пластинку не меняется.
Схема эксперимента. BS — делитель луча, L и R — левые и правые пути соответственно. D — детекторы, HWP — полуволновая пластинка для изменения поляризации. Подробное описание и расчеты в статье исследователей, текст которой находится в открытом доступе.
Ученые предсказывают, что «Чеширского Кота» можно будет заметить в новой схеме опыта, который позволит, наконец, реализовать умозрительный эксперимент на практике. Более того, эффект можно продемонстрировать и на примере электронов, только в таком случае поляризацию частиц придется заменить на ориентацию спина.
В силу технических ограничений провести пока опыт с электронами невозможно, но фотонная версия эксперимента допускает реализацию в современных лабораториях. И на случай подтверждения эффекта авторы новой работы нашли «Чеширскому Коту» ряд практических приложений. В частности, измерение заряда отдельно от частиц может повысить точность других научных экспериментов.
Слабые измерения, позволяющие определить те или иные параметры частиц без того, чтобы вызвать коллапс волновой функции, активно изучаются в контексте квантовых вычислительных систем. Для квантового компьютера важно контролировать состояние системы без его нарушения, так как это повышает стабильность вычислений.