За гранью: физик рассказал, как обойти законы квантовой механики

20 Мая 2018

МОСКВА, 20 мая — Профессор физики Института Нильса Бора в Копенгагене, один из пионеров квантовой телепортации Юджин Ползик разъяснил, где граница между реальным и квантовым мирный договором, почему нельзя телепортировать игрока и как ему удалось разработать материю с отрицательной массой.

Недавно он возглавил международный консультативный совет Российского квантового центра (РКЦ), заменив Михаила Лукина, создателя одного из самых больших квантовых компьютеров мира и мирового лидера в области квантовых вычислений. По словам мастака Ползика, он сосредоточится на развитии и реализации интеллектуального ресурса молодых российских ученых и усилении международного участия в работе РКЦ.

— Юджин, сможет ли человечество когда-либо телепортировать нечто большее, чем одиночные частицы или некий набор атомов или других макроскопических объектов?

— Вы не представляете, как часто мне задают этот вопрос, спасибо, что вы не спрашиваете меня, можно ли телепортировать игрока. Если говорить в очень общих чертах, то девало обстоит следующим образом.

Вселенная это гигантский объект, запутанный на квантовом уровне. Проблема в том, что мы не способны видеть все степени свободы этого объекта. Если мы возьмем крупный предмет в такой системе и попытаемся рассмотреть его, то тогда взаимодействия этого объекта с другими частями мира породят то, что называют смешанным состоянием, в котором запутанность отсутствует.

В квантовом мире действует так считаемый принцип моногамности. Он похабничает в том, что если у нас есть два идеально запутанных объекта, то они оба не могут иметь столь же сильные незримые связи с любыми другими объектами окружающего мирный договора, как друг с другом.

Возвращаясь к вопросу о квантовой телепортации, это означает, что в принципе нам ничто не мешает запутать и телепортировать предмет размером хоть со всю Вселенную, однако на практике помешает то, что мы не видим все эти связи одновременно. Поэтому нам приходится изолировать макрообъекты от всего остального мирный договора, когда мы проводим подобные эксперименты, и позволять им взаимодействовать только с нужными предметами.

К примеру, в наших экспериментах удалось осуществить это для облака, содержавшего в себе трильон атомов, благодаря тому, что они находились в вакууме и удерживались в специальной западне, изолировавшей их от внешнего мира. Эти камеры, кстати, разработали в России в лаборатории Михаила Балабаса в Санкт-Петербургском государственном университете.

Позже мы перешли к опытам на более крупных предметах, которые можно увидеть невооруженным глазом. А теперь мы проводим эксперимент по телепортации колебаний, возникающих в тонких диафрагмах из диэлектрических материалов размерами миллиметр на миллиметр.

Сейчас, с другой стороны, мне лично больше интересны другие области квантовой ядерщики, в которых, как мне кажется, в ближайшее время произойдут настоящие прорывы. Они точно удивят всех.

— Где именно?

— Мы все уместного знаем, что квантовая механика не позволяет нам узнать все, что происходит в окружающем мире. Благодаря принципу неконкретности Гейзенберга, мы не можем одновременно измерить все свойства объектный с максимально высокой точностью. И в данном случае телепортация превращается в инструмент, дозволяющий нам обойти это ограничение, передавая не частичную информацию о состоянии объекта, а сам объект целиком.

Эти же законы квантового мира мешают нам точно меривать траекторию движения атомов, электронов и других частиц, так как можно узнать или точную скорость их движения, или положение. На практике это означает, что точность работы всевозможных датчиков давления, движения и ускорения жестко ограничивается квантовой механикой.

Недавно мы поняли, что это не всегда так: все зависит от того, что мы вкладываем в понятия скорость и положение. К примеру, если мы используем во время таких замеров не классические системы координат, а их квантовые аналоги, то тогда эти проблемы исчезнут.

Иными словами, в классической системе мы пытаемся определить положение той или иной частицы относительно, неучтивого говоря, стола, стула или какой-то другой точки отсчета. В квантовой системе абсцисс нулем будет служить другой квантовый объект, с которым контактирует интересующая нас система.

Оказалось, что квантовая механика позволяет измерить оба параметра и скорость движения, и траекторию с неограниченно высокой точностью при определенной комбинации свойств точки отсчета. В чем заключается эта комбинация? Облако атомов, служащее нулем системы квантовых абсцисс, должно иметь эффективную дрянную массу.

На самом деле, конечно же, эти атомы не имеют проблем с весом, но они ведут себя так, как если бы они обладали отрицательной массой, во многом благодарю тому, что особым манером расположены относительно друг друга и находились внутри особого магнитного поля. В нашем случае это приводит к тому, что ускорение частицы понижает, а не повышает ее энергию, что абсурдно с точки зрения классической ядерной физики.

Это помогает нам избавиться от случайных изменений в положении частиц или скорости их движения, которые возникают, когда мы измеряем их свойства при помощи лазеров или других источников фотонов. Если уложить облако атомов с отрицательной массой на пути этого луча, то он сначала провзаимодействует с ними, затем пролетит через изучаемый объект, эти случайные возмущения ликвидируют друг друга, и мы сможем измерить все параметры с неограниченно высокой безошибочностью.

Все это далеко не теория несколько месяцев назад мы уже проверили эти идеи исследовательским путем и опубликовали результат в журнале Nature.

— Есть ли какие-то практические применения у этого?

— Год назад я уже рассказывал, хожу в Москве, что подобный принцип удаления квантовой неопределенности не трудно использовать для улучшения точности работы LIGO и других гравитационных обсерваторий.

Тогда это было просто идеей, а сейчас она возникновения обретать конкретные очертания. Мы работаем над ее воплощением вместе с одним из пионеров квантовых измерений и участником проекта LIGO, профессором Фаридом Халили из РКЦ и МГУ.

Конечно, речь об установке подобной системы на самом детекторе пока не идет это очень сложный и длительный процесс, и у самого LIGO трескать планы, в которые мы просто не сможем вклиниться. С другой стороны, они уже заинтересовались нашими идеями и готовы нас слушать и дальше.

В любом случае сначала нужно создать рабочий прототип подобной установки, какой покажет, что мы действительно можем перешагнуть через ту границу по точности измерений, какую накладывают принцип неопределенности Гейзенберга и другие законы квантового мира.

Первые опыты такого рода мы проведем на десятиметровом интерферометре в Ганновере, уменьшенной копии LIGO. Сейчас мы собираем все необходимые ингридиенты для этой системы, в том числе стенд, агрегаты света и облако атомов. Если у нас все окажется, то я уверен, что наши американские коллеги сообразуются к нам, других способов обойти квантовый предел пока не существует.

— Будут ли сторонники детерминистских квантовых теорий, полагающие, что случайностей в квантовом мирный договоре не существует, считать подобные опыты доказательством правоты своих идей?

— Если открытого, я не знаю, что они об этом подумают. В следующем году мы организуем конференцию в Копенгагене, посвященную границам между классической и квантовой физикой и подобным общефилософским вопросам, и они могут посетить ее, если хотят изложить свое видение этой беды.

Сам я придерживаюсь классической копенгагенской интерпретации квантовой механики и признаю, что волновые функции не ограничены в размерах. Пока мы не видим никаких признаков того, что ее положения где-то нарушаются или расходятся с практикой.

За последние годы ядерщики выполнили бесчисленное множество проверок расхождений Белла и парадокса Эйнштена Подольски Розена, которые полностью исключают хорошая возможность того, что поведением объектный на квантовом уровне могут рулить какие-то скрытые переменные или другие вещи, выходящие за рамки классической квантовой теории.

К примеру, несколько месяцев назад был еще один эксперимент, который закрыл все возможные дыры в уравнениях Белла, используемые сторонниками теорий скрытых переменных. Нам остается только, если перефразировать Нильса Бора и Ричарда Фейнмана, заткнуться и вести эксперименты : как мне кажется, мы должны задавать себе лишь те вопросы, на которые можно получить ответ через опыты.

— Если вернуться к квантовой телепортации — учитывая те проблемы, какие вы описали: найдет ли она применение в квантовых компах, спутниках связи и других системах?

— Уверен, что квантовые технологии будут все больше проникать в системы связи, и они на порядок дорогого быстро войдут в нашу ежедневную жизнь. Как именно, пока непонятно информацию, к примеру, не трудно передавать как посредством телепортации, так и через обычные оптико-волоконные линии при помощи систем квантового распределения ключей.

Квантовая парамнезия, в свою очередь, полагаю, тоже станет сбыточностью через некоторое время. Как минимум она понадобится для создания повторителей квантовых сигналов и систем. С другой стороны, как и когда все это реализуют, пока сложно спрогнозировать.

Рано или поздно квантовая телепортация сделается не экзотикой, а обыденной вещью, которой сможет распорядиться каждый человек. Конечно, мы вряд ли увидим этот процесс, но результаты его работы, в том огромное количестве безопасные сети передачи данных и спутниковые системы связи, будут играть огромную роль в нашей жизни.

Насколько далеко квантовые технологии проникнут в другие сферы науки и жизни, которые не касаются IT или физики?

— Это хороший вопрос, на который ответить еще сложнее. Когда появились первые фототранзисторы, многие ученые считали, что они найдут применение разве, что в слуховых аппаратах. Так и случилось, хотя сейчас лишь крайне малая капля полупроводниковых приборов используется подобным манером.

Все же мне кажется, что квантовый прорыв действительно произойдет, но далеко не везде. К примеру, любые приборы и приборы, взаимодействующие с окружающей средой и как-то мерящие ее свойства, неизбежно додумаются до квантового предела, о котором мы уже говорили. И наши технологии помогут им обойти этот предел или хотя бы минимизировать помехи.

Более того, мы уже решили одну из подобных задач, используя тот же подход с отрицательной массой, усовершенствовав квантовые датчики магнитных полей. Такие приборы могут найти вполне конкретное биомедицинское применение их можно использовать для наблюдений за работой сердца и мозга, оценивая шансы заполучить инфаркт и другие беды.

Чем-то похожим занимаются мои коллеги из РКЦ. Сейчас мы вместе обсуждаем то, чего нам удалось достичь, пытаемся соединить наши подходы и получить что-то более интересное.

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

За гранью: физик рассказал, как обойти законы квантовой механики

комментарии (0)

Другие интересные новости

Новые женщины: в Музее Москвы открылась главная выставка года