Ученые впервые наблюдали квантовый парадокс Чеширского кота

Физикам Франции, Австрии и США в Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) удалось провести эксперимент, в результате которого они измерили магнитный момент нейтрона независимо от положения самого нейтрона. Явление, которое наблюдали ученые, называется парадоксом Чеширского кота. Результаты своих опытов авторы опубликовали в журнале Nature Communications.

Ученые разделили пучок нейтронов на два в зависимости от ориентации спинов частиц в них: направления одних совпадали с направлением внешнего магнитного поля, других были противоположны ему. В результате проведения серии измерений, включающих в себя слабое измерение, ученым в одном из пучков удалось отследить следы частиц (измерить поляризацию нейтронов в магнитном поле) из другого, как если бы они там были.

Слабое измерение в квантовой механике предполагает малое возмущение частицы измеряемым прибором. Однако такой способ извлечения информации о наблюдаемых предполагает невысокую точность получаемых результатов измерений и, как следствие, большое количество измерений, которое смог обеспечить мощный источник нейтронов в Институте Лауэ-Ланжевена.

В своем эксперименте физики использовали нейтронный интерферометр — прибор, который позволяет наблюдать волновые свойства нейтральных нуклонов: единый пучок нейтронов пропускается через интерферометр, где разделяется на два, которые интерферируют между собой и приводят к образованию соответствующей картины. С точки зрения квантовой механики, это есть проявление корпускулярно-волнового дуализма, в котором волновые свойства связаны с наложением волн де Бройля — суперпозицией волновых функций частиц. При этом существенно классическое понятие траектории частицы теряет смысл: нейтрон может быть одновременно в двух пучках.

Теоретическая идея о парадоксе Чеширского кота появилась недавно и сводится к тому, что свойства некоторого объекта могут быть определены (измерены наблюдаемые частицы) там, где его нет. В классической физике это невозможно из-за принципа локальности, согласно которому кроме самого объекта его свойства могут зависеть лишь от его ближайшего окружения.

В квантовой механике ситуация другая: квантовая запутанность предполагает, что подсистемы ранее единой системы после разнесения их на расстояния друг от друга продолжают испытывать взаимное влияние. Обсуждение соотнесения принципа локальности и квантовой запутанности принимает различные формы, в зависимости от интерпретации квантовой механики.

Чеширский кот является одним их героев сказки английского писателя и математика Льюиса Кэрролла «Алиса в Стране чудес». Животное могло исчезать и оставлять на своем месте собственную улыбку. Ученые считают, что использование парадокса Чеширского кота поможет в создании будущих высокоточных метрологических приборов, а также квантовых устройств с низкой степенью помех, которые возникают из-за вероятностного характера измерений.