МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ №1, 2013 (4) - Виталий Тимофеевич Бабенко

в распоряжении экспериментаторов оказались технологии, позволяющие чрезвычайно хорошо изолировать квантовые системы от внешнего мира и контролировать их эволюцию.

Развитые лауреатами экспериментальные методы позволяют управлять состоянием отдельных изолированных атомов с помощью одиночных фотонов и наоборот. Отметим, что изоляцию квантовой системы от остального мира характеризует величина, называемая в физике добротностью (чем больше добротность, тем лучше изолирована система), а качество приготовления заданного состояния – температурой системы (идеально приготовленная система должна иметь нулевую, т. е. минимально возможную температуру). Несколько впечатляющих цифр, характеризующих уровень достижений лауреатов: в экспериментах С. Ароша добротность резонаторов составляла 4х1010, а разработанная Д. Уайлендем техника сателлитного охлаждения позволяет охлаждать ионы до температур порядка нанокельвинов. Для сравнения, добротность маятника механических часов в десятки миллионов раз меньше, а температура в межзвездном космическом пространстве в миллиарды раз больше.

А научный обозреватель одного из ведущих российских новостных интернет-изданий «Lenta.ru» Андрей Коняев (http://lenta.ru/articles/2012/10/09/phnobel/) обращает внимание на то, что результаты работ нобелевских лауреатов укрепляют позиции эвереттовской интерпретации квантовой механики: «Чаще всего, говоря о квантовой механике, придерживаются так называемой копенгагенской интерпретации, которую сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг в 20-х годах прошлого века. До недавнего времени это была самая популярная интерпретация после сугубо инструментального подхода, сформулированного Дэвидом Мермином в словах «заткнись и считай» (часто эту фразу приписывают Ричарду Фейнману), однако в последние годы она стала терять свои позиции. Сейчас копенгагенская уступает так называемой многомировой интерпретации». То есть жизнь показывает, что физическая сторона эвереттики уже перестала быть «гадательной» и перешла в область лабораторной практики.

Вот что говорит об этом А. Коняев.

Эксперимент Ароша выглядел следующим образом. Он брал резонатор, состоящий из двух зеркал, охлажденных почти до абсолютного нуля и расположенных на расстоянии около трех сантиметров друг от друга. Внутри резонатора создавалось электромагнитное поле, то есть, по сути, от стенки к стенке летали фотоны.

Сквозь этот резонатор пропускали ридберговские атомы – атомы, один из электронов которых находится на очень высоком энергетическом уровне. С классической точки зрения, это означает, что данный электрон движется вокруг ядра по орбите с очень большим радиусом. «Остаток» атома можно рассматривать как отдельный катион, то есть положительно заряженный ион. В результате структура получившегося атома напоминает классическую схему атома водорода. Радиус таких атомов на несколько порядков больше обычных – в 2008 году атом калия удалось «раздуть» до 1 миллиметра! В работе Ароша использовались атомы рубидия диаметром 125 нанометров. Скорость ридберговских атомов была подобрана таким образом, что они не поглощали фотон. Но особым образом подобранные исходные состояния атомов менялись специфическим образом, проходя через резонатор. Если быть точным, то состояние атома можно представлять в виде волны Де-Бройля. И если в резонаторе был фотон, то происходила интерференция и пики этой волны смещались. А это, в свою очередь, можно было зарегистрировать уже обычными измерениями. Развивая идеи и используя несколько атомов, Арош создал технологию подсчета количества фотонов в резонаторе.

Американец Дэвид Уайленд, в отличие от Ароша, интересовался ионами. Объектом его исследований были ионы, помещенные в ловушку. Ловушка представляет собой вакуумную камеру, в которой присутствует статическое и колебательное электрическое поле. Эти поля позволяют удерживать и изучать одиночные ионы – за разработку такой ловушки, получившей название ловушки Пауля, Вольфганг Пауль и Ханс Демельт в 1989 году получили Нобелевскую премию по физике.

Главным достижением Уайнленда стало умелое использование лазерных импульсов. Например, оказалось, что, подбирая особым образом такие импульсы, можно «затолкать» ион в самое нижнее энергетическое состояние. А после, с помощью уже других импульсов, перевести ион в суперпозицию нижнего и следующего за ним энергетического состояния. Суперпозицией в квантовой механике называется ситуация знаменитого «кота Шредингера» – одновременное существование в нескольких состояниях. В данном случае, в двух. Получив ион в состоянии настоящей квантовой суперпозиции, физики наконец смогли изучать эти загадочные объекты.

Результаты нобелевских лауреатов позволили создать сверхточные атомные часы (в этой деятельности сам Уайнленд принимал посильную роль). В частности, ученые создали часы, в которых роль маятника исполняет ион, а второй используется для считывания «колебаний» первого без разрушения его квантового состояния. В 2008 году вышла работа, в которой Уайнленд показал, что такие часы позволяют добиться точности на два порядка выше распространенных сейчас цезиевых часов. Эта точность настолько велика, что при поднятии часов в лаборатории буквально на 30 сантиметров, они начинают идти по-другому из-за ничтожной разницы на этих высотах земного гравитационного поля!

Самыми известными из экспериментов Уайнленда и Ароша стали эксперименты по квантовым вычислениям.

Уайнленд стал первым, кто сумел собрать из двух кубитов логическую систему, реализующую отрицание NOT. Нельзя сказать, что это было очень уж впечатляюще. Да и на пути к созданию квантового компьютера предстоит решить еще множество сложнейших практических задач. Но это не отменяет достижений американца.

Если говорить коротко, не углубляясь в научные понятия, то ситуация такова: Дэвид Уайнленд и Серж Арош не сделали великих открытий. Они не обнаружили ускоренное расширение Вселенной, не открыли графен. Но их невероятная любознательность и инженерный талант позволили ученым преодолеть, казалось бы, нерушимый барьер и получить возможность изучать физически реальные квантовые суперпозиции. И это продолжает приносить удивительные, пусть и не всегда понятные плоды.

И среди этих непонятностей одна принципиальная. Работы Уайнленда и Ароша – это эксперименты с квантовыми суперпозициями. Разумеется, очень многочисленны и теоретические проработки свойств этих объектов. И они даже породили попытку новой интерпретации квантовой механики – информационную интерпретацию в нескольких вариантах. В их основе лежит идея о том, что при измерении наблюдатель извлекает из системы некоторую информацию. Эта информация, с одной стороны, воспринимается как результат наблюдения, с другой – меняет саму измеряемую квантовую систему, поскольку квантовая система информацию теряет. Информация приобретает, как говорят философы, онтологический статус – становится физической сущностью.

Но, если применить «бритву Оккама», то окажется, что введения этой сущности можно избежать в рамках многомировой интерпретации, вспомнив о том, что возникновение различных соотнесенных состояний как раз и порождает «рождение» и «исчезновение» информации. Так что «информационная интерпретация» оказывается все той же многомировой, но выраженной в иных понятиях.

С учетом сказанного любопытен опрос, проведенный на конференции «Квантовая механика и природа реальности», проходившей в июле 2011 года в Австрии. Среди вопросов был и вопрос о «справедливости» известных интерпретаций квантовой механики. Интересен этот опрос и тем, что после него можно увидеть динамику «общественного мнения» физиков. Дело в том, что в 1997 году известный физик и космолог Макс Тегмарк провел аналогичный опрос на конференции «Фундаментальные проблемы в квантовой теории».

И вот к чему приводит это