Российский Квантовый Центр Russian Quantum Center

News / Новости

Физики не нашли «квантового предзнания» у атомовExperiment confirms quantum theory weirdness


2015-05-27

Австралийские физики впервые показали в эксперименте, что не только фотоны, но и атомы не могут «выбирать» кем им быть, волной или частицей – соответствующее состояние становится реальностью в тот момент, когда производится измерение, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Квантово-волновой дуализм, то есть способность одного и того же объекта вести себя как волна или частица, остается одним из самых непостижимых утверждений квантовой физики. Например, фотон в эксперименте может проявляться как волна, например, создавая интерференционную картину, но если изменить установку, то он «превращается» в частицу – все зависит от того, каким именно образом мы за ним наблюдаем.

Здравый смысл заставляет предположить, что фотон каким-то образом заранее «знает» какого рода экспериментальное оборудование его ожидает, и становится либо волной, либо частицей. Однако в 1978 году американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер предложил мысленный эксперимент, который показывает абсурдность этого предположения.

«Мысленная» экспериментальная установка Уилера представляет собой интерферометр Маха-Цандера с двумя полупрозрачными зеркалами – светоделителями. Фотон попадает на первое полупрозрачное зеркало и «расходится» по двум каналам (в одном из которых он чуть-чуть «задерживается» с помощью толстого стекла). Затем эти каналы сходятся на втором полупрозрачном зеркале, где фотон, как и положено волне, испытывает интерференцию – ее результаты видят два детектора.

Но если убрать второе зеркало, то интерференция пропадет, а фотон будет проявлять себя как частица, то есть его будет «видеть» только один из детекторов.

Проблемы у здравого смысла возникают, если предположить, что второй светоделитель убирают (или не убирают) после того, как фотон уже попал в установку и уже должен был «определиться» – волна он или частица. В таком эксперименте фотон никак не может «предугадать» какой вариант эксперимента его ждет.

В 2006 году мысленный эксперимент Уилера был впервые проведен в реальности. Ученые переключали интерферометр между двумя состояниями с помощью генератора случайных чисел, который срабатывал в течение 80 наносекунд (а фотону нужно было лететь 160 наносекунд). Результат показал, что у фотонов нет никакого «предзнания».

В 2012 году ученые модифицировали опыт Уилера, поставив его так, что интерферометр можно было переключать уже после того, как фотон "долетел", то есть менять его свойства уже после того, как событие произошло. В двух экспериментах, которые физик Сет Ллойд назвал проявлением «квантовой прокрастинации», ученые отправляли в интерферометр один из пары «запутанных» фотонов. Они находились в суперпозиции двух состояний - вертикальной и горизонтальной поляризации, одно соответствовало «включенному» светоделителю, другое – «выключенному». Измерение состояния второго фотона в паре приводило к тому, что состояние первого также становилось определенным, причем эти измерения можно было провести уже после того, как фотон прошел через интерферометр, то есть изменить его состояние «задним числом».

Теперь Эндрю Траскотт и Роман Хакимов из Австралийского национального университета и их коллеги впервые показали, что эксперимент Уилера можно выполнить не только с фотонами, но и с атомами.

Сначала физики получили Бозе-Эйнштейновский конденсат из ультрахолодных атомов гелия (температура менее 1 нанокельвина), и испаряли его, пока не оставался один атом. Затем этот атом высвобождали из оптической ловушки, и он падал вниз под действием гравитации. На пути его встречала брэгговская решетка из импульсов лазера, которая работала подобно светоделителю в классическом опыте Уилера – она «расщепляла» атом на две равновероятные траектории. Затем, в соответствии с «указанием» генератора случайных чисел, срабатывала или не срабатывала вторая решетка. Она либо комбинировала два момента, как если бы атом летел по двум траекториям сразу (как «волна»), либо же он летел по одному из рукавов интерферометра как частица.

Измерения дали те же результаты, что и прежние эксперименты с фотонами: атомы вел себя в точном соответствии с методом измерения. Авторы эксперимента подчеркивают, что атом не выбирает, кем ему быть – «волной» или «частицей», его «облик» возникает в тот момент, когда производится измерение.

The bizarre nature of reality as laid out by quantum theory has survived another test, with scientists performing a famous experiment and proving that reality does not exist until it is measured.

Physicists at The Australian National University (ANU) have conducted John Wheeler's delayed-choice thought experiment, which involves a moving object that is given the choice to act like a particle or a wave. Wheeler's experiment then asks - at which point does the object decide?

Common sense says the object is either wave-like or particle-like, independent of how we measure it. But quantum physics predicts that whether you observe wave like behavior (interference) or particle behavior (no interference) depends only on how it is actually measured at the end of its journey. This is exactly what the ANU team found.

"It proves that measurement is everything. At the quantum level, reality does not exist if you are not looking at it," said Associate Professor Andrew Truscott from the ANU Research School of Physics and Engineering.

Despite the apparent weirdness, the results confirm the validity of quantum theory, which governs the world of the very small, and has enabled the development of many technologies such as LEDs, lasers and computer chips.

The ANU team not only succeeded in building the experiment, which seemed nearly impossible when it was proposed in 1978, but reversed Wheeler's original concept of light beams being bounced by mirrors, and instead used atoms scattered by laser light.

"Quantum physics' predictions about interference seem odd enough when applied to light, which seems more like a wave, but to have done the experiment with atoms, which are complicated things that have mass and interact with electric fields and so on, adds to the weirdness," said Roman Khakimov, PhD student at the Research School of Physics and Engineering.

Professor Truscott's team first trapped a collection of helium atoms in a suspended state known as a Bose-Einstein condensate, and then ejected them until there was only a single atom left.

The single atom was then dropped through a pair of counter-propagating laser beams, which formed a grating pattern that acted as crossroads in the same way a solid grating would scatter light.

A second light grating to recombine the paths was randomly added, which led to constructive or destructive interference as if the atom had travelled both paths. When the second light grating was not added, no interference was observed as if the atom chose only one path.

However, the random number determining whether the grating was added was only generated after the atom had passed through the crossroads.

If one chooses to believe that the atom really did take a particular path or paths then one has to accept that a future measurement is affecting the atom's past, said Truscott.

"The atoms did not travel from A to B. It was only when they were measured at the end of the journey that their wave-like or particle-like behavior was brought into existence," he said

Source: ANU.



Lecture Courses | Курсы лекций