Странный парадокс «квантовой голубятни»
Команда исследователей из Калифорнии провела эксперимент, который подтвердил так называемый парадокс «квантовой голубятни». Это один из первых экспериментов, который позволяет прямо продемонстрировать свойства квантового мира, которые прямо противоречат тому, что является для нас привычным в макромире.
Немецкий математик XIX века Иоганн Дирихле использовал в математике голубей. Домашние голуби часто живут в больших ящиках со многими отделениями — голубятнях. Принцип Дирихле утверждает, что если голубей в голубятне на одного больше, чем отделений, то хотя бы в одном отделении должен сидеть не один, а два голубя. Идея проста и понятна каждому, но она позволяет легко доказать кучу достаточно сложных математических теорем.
И все бы хорошо, но несколько лет назад физики-теоретики поняли, что в квантовом мире принцип голубей и ящиков" может не выполняться. Размещая три квантовых объектов в двух группах, мы легко можем получить результат, когда ни одна из групп не будет содержать двух объектов. Виноват в этом тот самый принцип суперпозиции, который позволяет строить квантовые компьютеры, намного быстрее, чем современные. Так же, как несколько битов умещаются в кубите, так и «квантовые голуби» свободно размещаются в «квантовой голубятне».
В статье исследователи подтвердили парадокс «квантовой голубятни». Для этого они начали отслеживать поляризацию фотонов, которые предварительно были приведены в состояние суперпозиции, то есть их поляризация одновременно была и вертикальной, и горизонтальной. Далее частицы направили на интерферометр, чтобы окончательно установить вид поляризации фотонов (так же, как и с известным котом Шредингера). Это действие должно было разделить частицы на два потока, в одном из которых должно быть две частицы, а в другом — одна. В этом случае вторичный детектор, который измеряет состояние всех трех частиц отдельно, должен был увидеть характерные сдвиги там, где две частицы с одинаковой поляризацией взаимодействуют между собой.
Мнимые голуби Дирихле помогли проверить концепцию в квантовом эксперименте.
Но этого не происходило. Картина, которую исследователи наблюдали на вторичном детекторе, была полностью симметричной. Так, будто все три частицы находились в различных квантовых состояниях. Это доказывает, что принцип Дирихле в квантовом мире действительно ведет себя крайне странно. Если бы это был реальный мир, то мы могли бы задаться вопросом о том, что если одна частица находится в состоянии горизонтальной поляризации, а другая — в состоянии вертикальной, то в котором же находится третья?
В квантовом мире такая формулировка вопроса является неверной, потому что частица в состоянии суперпозиции может одновременно иметь разную поляризацию с другой частицей и не иметь одинаковой поляризации с третьей частицей, поляризация которой тоже отличается от поляризации второй. Собственно, в сочетании несочетаемых состояний и заключается принцип квантовой суперпозиции.
Скорее всего, поставленный эксперимент не скоро найдет свое практическое применение. Однако подтверждение принципа «квантовой голубятни» бросает вызов нашим представлениям о возможном и невозможном в этом мире. Пусть и в масштабах квантов и в определенных условиях, но ученые действительно смогли продемонстрировать явление, которое противоречит принципам, которые мы привыкли использовать как железный аргумент во многих дискуссиях — от семейной и общественной жизни, экономики и технических наук.