Квантовый Чеширский кот разделился на частицу и волну

Китайские физики продемонстрировали явление квантового Чеширского Кота, сопровождающееся разделением корпускулярных и волновых атрибутов фотона по разным плечам интерферометра. Чтобы увидеть эффект, авторы использовали пред- и пост-селекцию состояний и слабые измерения, а в роли состояния частицы и состояния волны они использовали поляризационные состояния фотона, демонстрирующие различные интерференционные свойства. Исследование опубликовано в Light: Science & Applications.

Квантовым Чеширским Котом называют ситуацию в квантовой механике, когда распределение вероятности встретить частицу в пространстве рассогласовано с таковым для одного из ее свойств. В бытовом смысле ее можно понять как феномен, при котором это свойство распространяется в пространстве (например, спин в плечах интерферометра) отдельно от самой частицы. Отсюда и название феномена: Чеширский Кот из «Алисы в Стране чудес» умел отделять улыбку от своего тела. Классическая интерпретация этого феномена парадоксальна, однако квантовая механика вполне его допускает.

Впервые квантовый Чеширский Кот был обнаружен на нейтронах в 2014 году и с тех пор активно исследуется в различных вариациях, по большей части с участием фотонов. Так, физики исследуют влияние на него декогеренции, а также взаимодействие нескольких квантовых Чеширских котов. Недавно мы рассказывали, как ученые предложили разделять разные спиновые состояния фотона, назвав их «улыбкой» и «рычанием».

В позапрошлом году Чоудхури с коллегами пошли дальше и предложили мысленный эксперимент, в котором фотонный квантовый Чеширский Кот разделит свои волновые и корпускулярные свойства по разным плечам интерферометра. Авторы предполагали, что опыт удастся провести по-настоящему с помощью правильной пред- и пост-селекции состояний и стратегии слабых измерений. Впервые воплотить идею своих коллег смогли китайские физики под руководством Гуан Цань Го (Guang-Can Guo) из Научно-технического университета Китая.

Исторически корпускулярно-волновой дуализм возник как попытка осмыслить тот факт, что объекты микромира в разных экспериментах ведут себя как частицы и как волны. Для первой группы опытов характерна хорошо определенная траектория и неделимость, в то время как во втором случае физики наблюдают интерференционные и дифракционные картины.

Современная квантовая механика удовлетворительно описывает обе группы экспериментов, наделяя частицы принципиальной неделимостью (с некоторыми оговорками для атомов, ядер и нуклонов), но при этом описывая их распределение в пространстве (не только в координатном) с помощью вероятностной величины — волновой функции. Другими словами, одна и та же частица просто находится в разных состояниях, когда участвует в эксперименте, доказывающем ее корпускулярные или волновые свойства. Поскольку переход от одного состояния к другому непрерывный, степень интерпретации через частицу и волну — это также непрерывная величина, которая может быть измерена в эксперименте, например, с помощью резкости (видности) интерференционной картины.

В работе китайский физиков использовался как раз такой подход. Они направляли одиночные фотоны в интерферометр Маха — Цендера, предварительно установив элемент, который разделял путь фотона по вертикали в зависимости от того, в каком состоянии — частицы или волны — он находится. Физически оба типа состояния представляли собой нужным образом сформированные суперпозиции из состояний с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Они различались чувствительностью к внутреннему фазовому параметру: в случае интерференционного теста видность картины для состояния «частица» была бы нулевой.

Успех опыта был основан на пред- и пост-селекции фотонных состояний. Так называют экспериментальный подход, в рамках которого в статистику дают вклад только состояния, удовлетворяющие определенным входным и выходным шаблонам. В текущем опыте входное состояние должно было соответствовать распутанным суперпозициям «левое-правое плечо» и «волна-частица», по выходное — запутанности этих двух наблюдаемых (частица в левом плече, волна — в правом).

Для контроля этого ученые использовали подход на основе слабых измерений. Он представляет собой некоторый компромисс между возмущением измеряемого состояния и точностью показаний прибора, которой, однако, достаточно для того, чтобы проводить селекцию. Физики многократно повторяли эксперимент для различной степени смешения «частица-волна» в начальном состоянии и измеряли «слабые» величины для каждой из наблюдаемых. Результаты оказались в хорошем согласии с теорией и подтвердили разделение дуальных свойств по разным плечам интерферометра. В будущем авторы нацелились на реализацию квантового Чеширского «Суперкота», в котором и его «волновость», и «частичность» отделены от самого фотона.

Ранее мы рассказывали, как австралийские физики провели эксперимент с отложенным выбором в интерферометре Маха — Цендера для атомов гелия. Таким путем они реализовали мысленный эксперимент Уилера по переключению между корпускулярными и волновыми свойствами у частиц.