Квант. Путеводитель для запутавшихся

Квантовые интерферометры

Интерферометры – это устройства, которые показывают, как именно одна частица может одновременно проходить по двум маршрутам, а на выходе, когда маршруты снова сходятся в одной точке, участвовать в формировании картины интерференции или другого типа сигнала, который доказывает, что нечто должно было пройти по обоим маршрутам.

Интерферометры можно использовать с фотонами, электронами и нейтронами. То, как волна, соответствующая любой из этих частиц, «расщепляется» после входа в устройство, зависит от того, какая именно перед нами частица[27]. Например, фотоны проходят сквозь расщепители светового пучка, которые ведут себя подобно полупосеребренным зеркалам. При столкновении с таким зеркалом, установленным под углом 45 градусов к направлению движения фотона, этот фотон с вероятностью 50 процентов может пройти прямо сквозь зеркало и продолжить свой путь и с вероятностью 50 процентов может быть отражен под прямым углом к своей изначальной траектории, как это бы и произошло, если бы он достиг двух прорезей в экране, так что он следует обоими маршрутами одновременно. Как бы ни произошло, установленные далее на пути следования фотона зеркала могут развести маршруты в стороны друг от друга, а затем снова свести их вместе.

Так как интенсивность пучка можно снизить, чтобы мы точно знали, что в каждый конкретный момент времени в интерферометре находится лишь один фотон, каждый отдельный фотон, таким образом, окажется в суперпозиции, следуя одновременно двумя независимыми путями, как герой стихотворения Роберта Фроста. Два этих ответвления интерферометра могут быть сколь угодно далеки друг от друга – на практике они могут отступать друг от друга на несколько метров. В связи с этим становится особенно сложно представить фотон в качестве волны. Его волновая функция теперь кажется действительно разделенной на две отдельных части.

Может, теперь мы вынуждены признать, что фотон прошел либо одним путем, либо другим, а не обоими сразу? Вовсе нет! Два ответвления интерферометра впоследствии сходятся и соединяются, поэтому сигнал, который выходит из устройства, представляет собой результат интерференции двух волн. Как и в фокусе с двумя прорезями, интерференция происходит из-за того, что фотону приходится пройти по двум разным маршрутам. Единственный способ объяснить наблюдаемое заключается в том, что фотон следует одновременно обоими маршрутами и на выходе интерферирует сам с собой!

Конечно же, если установить в одном из ответвлений детектор, который будет регистрировать, прошел ли фотон этим маршрутом, мы увидим его в половине случаев, а эффект интерференции пропадет, так как теперь фотон будет проходить либо одним путем, либо другим.

Иными словами, картина интерференции проявляется, когда различить два маршрута невозможно. Но если установить в одном из ответвлений устройство, которое развернет поляризацию волны фотона в этом ответвлении на 90 градусов, два маршрута дадут нам различимые фотоны и картина интерференции пропадет. Это происходит, потому что теперь при выходе фотона мы знаем, «в какую сторону» направлена его поляризация. Задержка выбора в этом эксперименте означает, что нам даже не надо включать поляризационный вращатель, пока фотон не расщепился на два компонента (посредством расщепителя пучка или полу посеребренного зеркала). Если маршруты двух фотонов изначально поляризованы вертикально, то устройство развернет поляризацию компонента в верхнем ответвлении и сделает ее горизонтальной. Так что, увидев на выходе вертикально поляризованный фотон, мы будем знать, что он прошел сквозь нижнее ответвление. С другой стороны, если фотон поляризован горизонтально, он точно прошел сквозь поляризационный вращатель в верхнем ответвлении. Означает ли это, что фотон прошел только по одному маршруту? А если да, как он мог угадать, что вращатель включится после того, как фотон разделится надвое внутри интерферометра? В конце концов, не включи мы устройство, на выходе ведь возникла бы картина интерференции!

В 1982 году физики Марлан Скалли и Кай Дрюль предложили еще более удивительное развитие этой идеи. Они предположили, что даже при наличии во включенном состоянии такого маркера «направления», как поляризационный вращатель, информация о том, по какому именно маршруту прошел фотон, в итоге может быть стерта прямо перед выходом фотона из устройства. Они предложили поставить в том месте, где пути уже соединились, «квантовый стиратель» (скажем, второе полупосеребренное зеркало). Вполне разумно предположить, что, раз два маршрута различимы на основании разного направления поляризации, интерференции не произойдет. Однако похоже, что, избавившись от улик – то есть развернув поляризацию еще на 45 градусов, благодаря чему у нас пропадает возможность понять, каким путем прошел фотон, – стиратель может восстановить картину интерференции. Это кажется невероятным: фотон, похоже, знает не только то, включен ли вращатель в одном из ответвлений, но и то, что дальше работает квантовый стиратель, который устраняет информацию о направлении поляризации.

Несколько лет назад Юн-Го Ким с коллегами провел эксперимент по оригинальной схеме Скалли и Дрюля. Квантовый стиратель действительно восстановил картину интерференции!

Интерферометры показывают, что квантовые частицы действительно могут пребывать в суперпозиции в двух местах одновременно. Само собой, хотя я и не упоминал об этом, квантовые частицы могут пребывать и в суперпозициях других состояний, например вращаться в двух направлениях одновременно или обладать одновременно двумя и более различными энергиями или скоростями. Хотя нам легче сказать, что на самом деле в суперпозиции пребывает волновая функция, а не физическая частица, которую она описывает, что-то должно проходить по обоим ответвлениям интерферометра. Физики часто описывают эту ситуацию в противоречивых или небрежных терминах и говорят, что в интерферометре два пучка, которые интерферируют друг с другом. Но что это означает, когда мы описываем всего одну частицу? Правда в том, что никто не может удовлетворительно объяснить это нематематическим языком.

Нам известно лишь, что атом всегда описывается одной волновой функцией, а не двумя отдельными, и эта функция распространяется на оба ответвления. Именно здесь мы и заходим в тупик, представляя волновые функции классическими волнами. Если звуковая волна расщепляется и следует двумя разными маршрутами, которые в конце снова сходятся вместе, на выходе мы будем наблюдать эффект интерференции (незначительно изменяя частоту одной из волн, мы сможем услышать «пульсацию», так как две волны в итоге не будут совпадать по фазе). Однако звуковая волна в этом примере физически расщепляется надвое. Если два ответвления, по которым пойдут звуковые волны, приведут в различные места, звук услышит каждый из двух наблюдателей. В случае с атомом не стоит забывать, что только один наблюдатель увидит конкретный атом, если будет его искать. Строго говоря, мы утверждаем, что атом обладает единственной волновой функцией с двумя частями, которые описывают, как он следует по каждому из ответвлений, как бы далеко друг от друга они ни отстояли. Волновая функция распространяется на все пространство и принимает нулевое значение везде, кроме пространства внутри двух ответвлений. Следовательно, если установлено наблюдение, вся распространенная волновая функция схлопывается в единственную настоящую частицу, проходящую либо по одному из ответвлений, либо по другому.