Преодолевая принцип неопределённости

Квантовая память может стать ключом к опровержению одного из краеугольных камней квантовой механики – принципа неопределённости Гейзенберга.

Квантовая память может стать ключом к опровержению одного из краеугольных камней квантовой механики – принципа неопределённости Гейзенберга. Напомним, сформулированный в 1927 году немецким физиком Вернером Гейзенбергом принцип заключается в невозможности одновременного определения пары характеристик квантовой системы – к примеру, координаты и импульса частицы, тока и напряжения, электрического и магнитного полей.

Группа учёных из Цюрихского института теоретической физики (Швейцария) и Института прикладной физики технического университета Дармштадта (Германия) под руководством Роджера Кольбека пришла к выводу о том, что принцип Гейзенберга некорректен для запутанных (сцепленных) элементарных частиц, и его нельзя применять к таким частицам.

Как говорится в резюме статьи, опубликованной в журнале Nature, принцип Гейзенберга чётко иллюстрирует разницу между классической и квантовой механикой. Этот принцип предполагает невозможность предсказания возможных результатов двух измерений, даже если информация о состоянии частицы имеется в классической памяти. Однако, если частица сцеплена с квантовой памятью – неким прибором, который может быть создан в обозримом будущем – появится возможность точно предсказать результаты обоих изменений. Поэтому в формулировку принципа Гейзенберга необходимо внести дополнения, описывающие подобные исключения.

Как утверждают учёные, если максимально запутать частицу с квантовой памятью и измерить одну из её характеристик, к примеру, её координаты, это приведёт квантовую память в соответствующее состояние, которое также можно будет измерить. Иными словами, использование квантовой памяти позволяет преодолеть принцип Гейзенберга и одновременно получить значения обеих переменных с большой степенью определённости.

До изобретения квантовой памяти наши возможности наблюдать частицы на квантовом уровне всё ещё ограничены принципом Гейзенберга – из-за неопределённости страдает точность измерений характеристик микрочастиц. Объяснение этому явлению в том же 1927 году дал другой знаменитый создатель квантовой механики, английский физик Поль Дирак. Он обнаружил, что один из способов измерения положения частицы заключается в "бомбардировке" её фотонами и наблюдением при помощи детектора, куда "приземляются" фотоны. Такой метод позволяет с точностью определить координаты частицы, однако после "удара" фотона она, разумеется, меняет своё положение. Аналогично этому, измерение импульса также приведёт к тому, что частица переместится. Поэтому возникло представление о невозможности одновременного определения значений пар взаимосвязанных переменных с высокой степенью точности.

Затем было открыто явление квантовового запутывания, при котором если две частицы запутаны, то определение даже одной характеристики одной из частиц приводит к изменению волновых функций обеих частиц и всех переменных. Коллектив учёных под руководством Роджера Кольбека пришёл к выводу, что именно благодаря запутыванию можно полностью установить состояние одной из двух сцепленных частиц. Более того, появляется возможность одновременно измерить значение даже таких несопоставимых переменных, как координаты и импульс. Эти измерения могут быть не идеально точны, однако сама их возможность свидетельствует о преодолении принципа неопределённости.

Главная идея разработки состоит в том, чтобы максимально запутать частицу с квантовой памятью. Это означает, что все состояния и все степени свободы частицы будут привязаны ко всем состояниям квантовой памяти. После запутывания и разделения наблюдатель сможет измерить одну из характеристик частицы, сообщив держателю квантовой памяти, о том, значение какой переменный было им получено.

Теоретически должен существовать способ измерения квантовой памяти, дающий те же самые результаты, что и при измерении характеристик на самой частице. При этом в квантовой памяти не должно быть отношений неопределённости между измеряемой и другими несовместимыми переменными, что позволит одновременно получить точные значения двух несовместимых переменных.

Однако в действительности пока такой способ измерения не найден – как не существует в природе и квантовой памяти. В своей статье учёные аргументируют свои рассуждения лишь теоретическими расчётами, которые при нынешнем техническом уровне невозможно подтвердить экспериментально. К тому же пока до конца не ясен сам механизм запутывания, и авторы гипотезы намерены пристально изучать природу этого явления, поскольку это позволит приблизить стадию эксперимента.

Преодоление принципа неопределённости Гейзенберга в перспективе сможет потрясти основы наших представлений о квантовой механике и об элементарных частицах вообще. Создание квантовой памяти, в свою очередь, будет означать огромный скачок на пути создания квантового компьютера, ведь такое устройство сможет одновременно содержать сведения обо всех возможных состояниях и положениях частиц.