Безумный квантовый эксперимент нарушил концепцию «до и после»

На протяжении почти века считалось, что частицы не обладают определенными свойствами до тех пор, пока их не поймают и не проведут измерения. Такой тип квантовой «странности» открывает целый мир парадоксов, противоречащих здравому смыслу. В качестве примера рассмотрим такое явление: одна частица может испытывать две последовательности событий одновременно, из-за чего невозможно определить, какое из них произошло раньше другого.

Физики из Квинслендского университета разработали «беговую дорожку» для света и заставили одну частицу двигаться по двум путям одновременно, что делает невозможным определение порядка, в котором она совершает пару операций. В прежней скучной жизни ученые могли спустить с трапа шар, чтобы он ударил в колокольчик А, а затем в колокольчик Б. Или же можно было спустить его с другого трапа, чтобы он сначала ударил в Б, а затем в А. Можно даже сделать сооружение, в котором звон одного колокольчика спровоцирует звон другого.

Ничего из вышеописанного не удивляет, ведь мы привыкли, что все во Вселенной упорядочено и одни события предшествуют другим, согласно закону причины и следствия. Но все становится куда сложнее, когда мы принимаем тот факт, что реальность — это туман вероятностей, ожидающих, когда их измерят.

Чтобы продемонстрировать это, физики создали физический эквивалент квантового переключателя, в котором множество операций происходит, когда частица находится в суперпозиции всех возможных положений. Говоря простым языком, команда разработала дорожку, разделяющуюся и снова смыкающуюся внутри интерферометра, с доступом к каждой развилке, зависящей от поляризации входящего в нее света.

Световые волны, проходящие по каждой развилке на своем пути, затем сливаются и интерферируют, создавая характерную картину, в зависимости от своих свойств. В этом случае две световые волны были одним и тем же фотоном, прошедшим оба пути одновременно.

До измерения фотон может иметь либо горизонтальную, либо вертикальную поляризацию. Если точнее, он имеет одновременно вертикальную и горизонтальную поляризацию до тех пор, пока одна из них не будет зарегистрирована в процессе измерения. Из-за своей неопределенной поляризации фотон идет по обоим путям: его вертикально поляризованная версия следует по одному каналу, а горизонтально поляризованная — по другому.

В качестве «колокольчиков» команда установила на каждом пути линзы, слегка изменяющие форму фотона. Горизонтальная поляризация била в «колокольчик» А перед достижением Б, а вертикальная — сначала в Б, потом в А. Анализ интерференционной картины объединенного фотона показал признаки беспорядка возможных последовательностей.

С одной стороны, две отдельные частицы света представить очень просто: одна поляризована горизонтально, другая — вертикально, каждая из них проходит через линзу по своему пути. Однако это совсем не то, что происходило в ходе эксперимента. Это был единственный фотон с двумя возможными сценариями, ни один из которых не был реальным до измерений.

В то время как события А и Б были независимы в этом квантовом переключателе, они могли быть связаны и даже влияли друг на друга. А могло спровоцировать Б или же Б могло спровоцировать А. Все зависит от того, какой сценарий вы выберете.

У этого эксперимента, несмотря на всю странность результатов, все же может быть одно практическое применение — в области квантовой коммуникации. Передача фотонов по шумному каналу может быть губительной для их квантовой информации из-за нарушения их бесценных суперпозиций. Однако передача частиц по каналам, оснащенным квантовым переключателем, дает возможность квантовой информации добраться до точки назначения в целости и сохранности.

Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, объясняет, как применение квантового переключателя к двум шумным каналам способно обеспечить сохранность суперпозиции.