Физики отделили «рычание» квантового Чеширского кота от «улыбки»

Физики предложили эксперимент, в котором разные виды поляризации фотона детектируются только в разных плечах интерферометра в экспериментах с пост-селекцией. Он является развитием идеи эксперимента по наблюдению «квантового Чеширского кота», только в этом случае разные поляризации играют роль «улыбки» и «рычания» «кота». Авторы описали метод, позволяющий менять поляризации местами с помощью добавления новых оптических элементов, и обнаружили в такой схеме эффект «отложенного выбора». Работа опубликована в Physical Review Letters, а также на сайте для препринтов arxiv.org.

Бытовая интуиция подсказывает нам, что объект всегда неотделим от своих свойств. Сложно представить, чтобы, например, скорость мяча существовала отдельно от него самого. Однако в квантовой механике возможна ситуация, при которой этот принцип кажется нарушающимся. В частности, речь идет об экспериментах, в которых частица проходит через интерферометр с двумя плечами, но регистрируется лишь в одном из них, в то время как ее спин (поляризация) — в другом. Такой парадокс был назван квантовым Чеширским котом в честь одноименного кота из книги Льюиса Кэрролла «Алиса в Стране чудес», который известен тем, что его улыбка способна существовать отдельно от него самого.

Идея квантового Чеширского кота была впервые предложена в 2012 году. С тех пор она неоднократно подтверждалась в целом ряде экспериментов, как с фотонами, так и с нейтронами. Кроме того, появлялись работы, которые как-либо расширяли этот парадокс новыми эффектами. Так, в одной из работ был проведен учет декогеренции, а в другой ее авторы даже обменяли двух квантовых Чеширских котов «улыбками». 

В новой работе Дебмалья Дас (Debmalya Das) и Удджвал Сен (Ujjwal Sen) из Научно-исследовательского института Хариш-Чандра пошли дальше и предложили отделить два вида поляризации одного фотона друг от друга. Для этого они использовали такое явление как слабые измерения. Измерения в целом играют в квантовой механике огромную роль. Традиционно предполагалось, что процесс измерения представляет собой сильное взаимодействие квантовой (малой) частицы или системы с некоторой, очень большой системой (прибором), у которой очень много степеней свободы. Акт такого взаимодействия неизбежно модифицирует квантовый объект, переводя его в состояние с определенным значением той самой измеряемой величины. Физики называют это коллапсом состояния.

В 1988 году, однако, Якир Ааронов с коллегами обнаружили, что уже известные на тот момент законы квантовой механики допускают иную ситуацию. Она реализуется тогда, когда связь между квантовой системой и прибором достаточно слабая. В этом случае исходное состояние изменяется лишь слегка, но это приводит к большой неопределенности в показаниях прибора. Фактически, речь идет о компромиссе между точностью измерительной системы и влиянием на измеряемый объект. В частном случае, когда связь «система-прибор» становится большой, слабые измерения сводятся к привычным, сильным измерениям.

Важно, что слабые измерения позволяют с некоторой точностью получить информацию о состоянии квантовой системы без ее разрушения. Это впоследствии было использовано экспериментаторами для так называемой пост-селекции конечных состояний. Пост-селекция — это процесс, при котором мы проводим один и тот же эксперимент несколько раз и учитываем только те разы, в которых состояние частицы на выходе соответствует некоторому наперед заданному сигнальному состоянию. Это позволяет нам утверждать, что внутри экспериментов с пост-селекцией будут гарантированно выполняться те или иные соотношения между параметрами системы, которые нужны для исследования интересующих нас эффектов.

Именно такая техника использовалась при подтверждении реальности парадокса квантового Чеширского кота. В простейшем его варианте на фотонах использовался интерферометр Маха-Цендера, в котором луч света сначала расщепляется на два потока, левый и правый, с помощью полупрозрачного зеркала, которые затем собираются вместе и подаются на детектор. Попадание фотона на делитель переводит его в состояние квантовой суперпозиции, которое часто трактуют как существование его в обеих плечах интерферометра одновременно.

Для детектирования эффекта на вход интерферометра подавали фотон с горизонтальной поляризацией, а в качестве сигнального состояния при пост-селекции использовалось состояние суперпозиции вида |левый, горизонтальный > + |правый, вертикальный >. Такая пост-селекция приводит к тому, что вероятность найти (измерить) фотон в правом плече равна 0, а в левом — 1, в то время как вероятность, что в правом плече будет обнаружена круговая поляризация, равна 1, а в левом — 0. Таким образом, с точки зрения измерения кажется, что в правом плече интерферометра нет фотона, а в левом нет никакой поляризации.

Стоит отметить, правда, что и измерение наличия фотона, и измерение поляризации также проводятся слабым образом путем многократного повтора опыта. В противном случае каждое из них вызовет коллапс состояния и их одновременное измерение будет невозможно. Иными словами, это статистический результат, который, однако, достаточно хорошо отражает предсказания квантовой механики. Наконец, ощущение, что поляризация фотона переносится как бы сама по себе — это иллюзия, связанная с тем, что квантовая механика имеет лишь вероятностную предсказательную силу. А поскольку из всех возможных исходов мы проводим пост-селекционное отсеивание, это заменяет абсолютные вероятности на условные, что и привносит искажение в восприятие феномена.

В новой работе физики обратили внимание на то, что с теми же самыми параметрами и пост-селекцией парадокс будет наблюдаться и для разных видов поляризации. То есть, вероятность того, что в правом плече будет обнаружена круговая поляризация, равна 1, а в левом — 0, в то время как вероятность того, что в правом плече будет обнаружена линейная поляризация, равна 0, а в левом — 1. Продолжая аналогию, они назвали круговую компоненту «улыбкой», а плоскую — «рычанием» Чеширского кота.

Затем авторы описали способ, как менять «улыбку» и «рычание» местами. Для этого они предложили установить в каждом из плеч интерферометра поляризационные фазовращатели, которые синхронизированы друг с другом и могут быть переключены одновременно. Так же в одно из плеч был добавлен отдельный фазовращатель для управления разностью фаз между левым и правым плечами.

Физики отметили, что в такой схеме каждый вид поляризации как будто бы знает, по какому из плеч интерферометра распространяться, несмотря на то, что светоделитель установлен раньше, чем фазовращатели. Возникающий эффект «отложенного выбора» связан с тем, что мы используем пост-селекцию, которая, отбирая состояния с нужным результатам в самом конце пути фотона, создает такую иллюзию. Авторы предполагают, что обнаруженный эффект может быть применен при разработке новых квантовых протоколов.

Чеширский кот — частый источник вдохновения ученых. Помимо собственно квантового Чеширского кота, про которого мы уже писали ранее, этого персонажа сказки находят на звездном небе и собирают из наночастиц золота.
Марат Хамадеев