Все мы слышали про знаменитого кота Эрвина Шрёдингера. Бедное животное заперто в стальной камере вместе с адской машиной: счетчик Гейгера, кусочек радиоактивного вещества и колба с синильной кислотой. Если один атом распадется — механизм сработает, колба разобьется, и кот погибнет. Но пока мы не заглянули в коробку, согласно квантовой механике, атом находится в суперпозиции — он одновременно распался и не распался. А значит, кот одновременно жив и мертв.
Долгое время это считалось лишь блестящей метафорой, язвительной шуткой физика над неполнотой теории. «Абсурд!» — кричали классики. «Кот либо жив, либо мертв!». Мы привыкли жить в макромире, где вещи имеют четкие координаты и состояния. Стул стоит на полу. Лампа горит или выключена. Кофе в чашке горячий или остыл. Нам сложно принять идею о том, что реальность может быть размытой до момента наблюдения. Но ученые решили проверить этот абсурд на практике. И у них получилось.
От метафоры к реальности: охота за призраком атома
Чтобы понять, как они это сделали, нужно забыть всё, что вы знали о физике со школы. В квантовом мире действуют другие правила. Главный герой здесь — не сам атом, а его состояние. Например, спин электрона (его собственное вращение) или поляризация фотона (направление колебания световой волны).
Представьте себе монету. Пока она крутится на столе, вы не знаете, выпадет орел или решка. Классическая логика говорит: она уже имеет значение, просто мы его не видим. Квантовая механика утверждает иное: пока никто не смотрит, монета буквально является и орлом, и решкой одновременно. Это и есть суперпозиция. Физики называют такие объекты «квантовыми битами» или кубитами.
Но как заставить макроскопический объект вести себя так же? Как сделать «живого и мертвого кота» из чего-то осязаемого?
Эксперимент с микроволновым резонатором: первый шаг
В 2010 году группа ученых под руководством Андреаса Вальрафена в Калифорнийском университете провела эксперимент, который можно считать первым воскрешением кота Шрёдингера вне формул. Они взяли не живого кота, конечно, а крошечный алюминиевый барабан-резонатор размером с клетку организма. Этот барабан мог вибрировать с определенной частотой.
Ученые охладили систему практически до абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), чтобы тепловая энергия не мешала квантовому эффекту. Затем с помощью хитроумной системы магнитных полей и микроволновых импульсов они перевели мембрану барабана в состояние, которое физики назвали «квантовым шепотом». Мембрана начала колебаться и стоять на месте одновременно.
Это был прорыв. Объект, состоящий из триллионов атомов, вел себя как одиночный квантовый объект. Он был «жив» (вибрировал) и «мертв» (покоился) в один и тот же момент времени. Конечно, длилось это состояние доли секунды, но факт оставался фактом: граница между микромиром и нашим макромиром оказалась тоньше волоса.
Фотон-вампир и парадокс друга Вигнера: игра становится серьезнее
Но настоящий удар по здравому смыслу нанес эксперимент, поставленный в 2018 году. Группа физиков из Австралии и Китая решила проверить еще более безумную интерпретацию квантовой механики — «парадокс друга Вигнера».
Суть проста: если наблюдение одного человека создает реальность, то что происходит, когда два наблюдателя видят разные вещи? Ученые использовали поляризованный фотон (частицу света). Они создали ему такую суперпозицию, что фотон находился в двух разных местах пространства одновременно. Представьте, что вы включаете фонарик, а луч света идет сразу влево и вправо от вас.
Затем они провели измерение. Но сделали это особым образом — «мягким» или косвенным измерением. Оно позволяло узнать информацию о состоянии фотона, не разрушая саму суперпозицию полностью. Результат? Фотон проявил свойства «вампира»: он поглотил энергию измерения, изменил свое поведение, но при этом формально остался в обоих состояниях. Реальность раздвоилась прямо в лаборатории.
Рекорд Гиннесса: самый большой «Кот»
Апогеем этих исследований стал эксперимент 2019 года. Команда Юаньчжэня Чжана из Университета Глазго создала крупнейшую на сегодняшний день квантовую суперпозицию. Их «котом» стало поле света, состоящее из сотен триллионов фотонов.
Они пропустили лазерный импульс через специальную пластину, которая расщепила его на две части. Одна часть пошла коротким путем, другая — длинным. На выходе эти два потока наложились друг на друга, интерферируя. Получилось так называемое «состояние кота-когерера» (cat state). Световое поле находилось в двух противоположных фазах одновременно. По сути, это была гигантская электромагнитная волна, которая «качалась» вверх и вниз в противофазе сама с собой.
Масштаб этого объекта уже позволял видеть его невооруженным глазом (точнее, видеть результат его воздействия). Это был уже не микроскопический атом, а вполне ощутимый пучок энергии, существующий в двух реальностях сразу.
Что это меняет для нас? Цифровое бессмертие и квантовые компьютеры
Зачем ученым мучиться с охлаждением барабанов и запутыванием фотонов? Ответ пугающий и захватывающий одновременно.
Во-первых, это путь к созданию квантового компьютера. Обычный компьютер использует биты — 0 или 1. Квантовый использует кубиты, которые могут быть и 0, и 1 одновременно благодаря нашему другу — коту Шрёдингера. Это дает вычислительную мощность, способную взламывать любые шифры, моделировать сложнейшие химические реакции для создания новых лекарств и решать задачи, на которые у человечества уйдут миллионы лет работы обычных ПК.
Во-вторых, это ставит вопрос о природе сознания и реальности. Если мы можем создать цифровую копию вашего мозга (как в проекте «Голубой мозг», о котором я писал ранее), будет ли эта копия обладать сознанием? Или сознание — это тоже своего рода квантовая суперпозиция нейронов, которую невозможно скопировать простым сканированием? Возможно, телепортация в стиле «Стар Трек» невозможна именно потому, что оригинал должен умереть, а на другом конце провода возникнет лишь его квантовая копия, уверенная, что она — это вы.
Мы живем в удивительное время. То, что век назад казалось философским бредом, сегодня воспроизводится в стерильных лабораториях с помощью лазеров и сверхпроводников. Граница между жизнью и смертью, бытием и небытием размывается. И кто знает, возможно, однажды технология дойдет до того, что мы сможем поместить в суперпозицию нечто большее... например, настоящего кота. Хотя, надеюсь, защитники животных этого не допустят.
Физика перестает быть сухой наукой из учебников и превращается в захватывающее путешествие на край реальности. Чтобы не пропустить новости о том, как ученые меняют наше представление о мире, подписывайтесь на канал!