Физики из Йеля выяснили, как можно "спасти" кота Шредингера

Американские ученые выяснили, как можно предвидеть "непредсказуемые" квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять. Подобным образом можно "спасти" знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.

"Квантовые переходы в атомах в чем-то похожи на извержения вулканов. Их нельзя предсказать в долгосрочном плане, однако, если правильно следить за подобным объектом, то мы можем получить достаточно точное предупреждение о грядущей катастрофе и начать действовать еще до того, как она произойдет", — рассказывает Златко Минев из Йельского университета (США).

Кот Шредингера — "участник" мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.

В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин "квантовая суперпозиция" – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.

В реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу "ящика Шредингера" будет влиять его "классическая" часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.

Отсутствие инструментов, позволяющих "увидеть" кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.

Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как "суперпозиция" живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух "классических" состояний.

Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.

Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и "перепрыгивает" на более высокую позицию, он фактически "телепортируется" с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.

Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций. Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные "квантовые прыжки", можно ли их предсказать и манипулировать ими.

Йельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов. Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.

Эти "синтетические" атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, "светлое", ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.

Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в "темное" состояние и затем возвращался в изначальную позицию. Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между "светлым" и основным состоянием.

Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в "темное" состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в "светлом" состоянии, резко снижалась. Подобные "затмения" были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу "накачки" атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.

Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.

Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.