Квантовая реальность может оказаться сложнее, чем кажется

Представьте, что вы заказываете несколько стеклянных ваз разного цвета. Каждая ваза кладется в отдельную посылку. Что вы подумаете о курьере, если на доставленной им посылке не будет видимых повреждений, однако после ее открытия выяснится, что все красные вазы целы, а все зеленые разбиты на осколки? Физики из Варшавского университета и Технологического университета Гданьска (Польша) показали, что при передаче квантовой информации причуды природы похожи на поведение этого курьера.

Эксперименты с отдельными фотонами, проведенные учеными факультета физики Варшавского университета и факультета прикладной физики и математики Технологического университета Гданьска, выявили еще одну парадоксальную особенность квантовой реальности. При передаче квантового объекта, независимо от того, действует ли он как частица или как волна, его свойства будут зависеть от других обстоятельств, которые, на первый взгляд, не имеют к передаче объекта никакого отношения. Неожиданные результаты эксперимента была опубликованы в исследовательском журнале Nature Communications.Квантовая реальность может оказаться сложнее, чем кажется

Эксперименты по интерференции волн являются одними из самых простых и могут быть проведены каждым. Когда лазерный луч направлен на пластину с двумя отверстиями, мы наблюдаем чередование светлых и темных полос. Давно известно, что полосы заметны даже тогда, когда сквозь отверстия в пластине проходят отдельные частицы – электроны или фотоны. Физики считают, что каждая отдельная частица обладает свойствами волны, проходя через оба отверстия сразу и сталкиваясь сама с собой.

Ситуация меняется в случае, если можно проследить путь, который прошел отдельный электрон и фотон, и определить хотя бы в целом, сквозь какое отверстие он прошел. В случае если информация о пройденном частицей пути попадает к наблюдателю за пределами системы, явление интерференции исчезает, и вместо чередования полос мы не видим ничего.

Для возникновения интерференции необходимо, чтобы длина волн фотонов была одинаковой или чтобы электроны обладали одинаковым зарядом. Однако квантовые частицы имеют и другие свойства. К примеру, они могут быть поляризованными (колебания их электрического поля проходят в одной плоскости) или могут иметь различное направление вращения (квантовой свойство, описывающее динамику объекта в покое).

«До настоящего момента признавалось, что дополнительные свойства частицы, такие как поляризация или вращение, не оказывают никакого особого влияния на волновую интерференцию. Мы решили изучить данный вопрос более детально и весьма удивлены результатами», — говорит профессор Конрад Банажек (Konrad Banaszek) из Варшавского университета.

Эксперимент физиков из Варшавского университета и Технологического университета Гданьска начался с того, что ученые создали маркирующий фотон. «Название звучит сложно, но сама по себе идея довольно проста», — говорит профессор Чеслав Радзевич (Czeslaw Radzewicz) из Варшавского Университета. «Мы используем процесс, в результате которого создаются пары фотонов. Когда мы регистрируем создание одного фотона, мы можем быть уверены в том, что создан и второй; мы знаем его свойства, длину волны и направление, и нам не нужно повреждать его, чтобы выяснить это. Иными словами, мы используем один фотон, который указывает также на появление второго фотона».

Каждый фотон был индивидуально направлен к интерферометру, состоящему из двух кристаллов кальцита. В первом кристалле фотон разделился и одновременно прошел через оба рукава интерферометра. В каждом рукаве ученые изменили поляризацию фотона (плоскость колебания его электрического поля) посредством шумовых помех. Пути движения фотонов соединились во втором кристалле кальцита и образовали несколько характерных полос интерференции, при этом невозможно было определить, через какой рукав интерферометра прошел данный фотон. На финальной стадии эксперимента полоски интерференции измерялись при помощи силиконовых лавинных фотодиодов.

«Выяснилось, что мы можем использовать измерение полос интерференции для того, чтобы определить, как много информации вышло за пределы системы при прохождении фотона через интерферометр. Другими словами, мы можем заключить, сколько информации было перехвачено во время прохождения фотона», — говорит доктор Михаль Карпински (Michal Karpinski) из Варшавского университета (в настоящее время преподает в Оксфордском университете). Михаль занимался моделированием эксперимента и проведением измерений.

Эксперимент позволил выявить новое, неожиданное свойство реальности: поляризация фотонов и степень свободы его состояний играют значительную роль в интерференции двух направлений фотона.

«Выходит, что качество курьерской доставки – к примеру, сохранность вазы, доставленной в упакованной посылке – зависит от того, является ли ваза красной или зеленой. В нашей реальности цвет вазы никак на это не влияет. Однако состояние посылки, которую доставляет наш «квантовый курьер», действительно зависит от внутренних свойств, которые, с первого взгляда, никак не связаны с интерференцией».

Результаты эксперимента позволят физикам использовать новый, более глубокий подход к исследованию фундаментальных свойств реальности; результаты также могут быть применены в квантовой криптографии. Физики Университетов Варшавы и Гданьска успешно вывели общее неравенство, которое позволяет точно определить количество информации, покинувшей систему оценки.

http://nauka21vek.ru