Хабрахабр

[Перевод] Квантовый дарвинизм: идея, объясняющая объективную реальность, прошла первые испытания

Три эксперимента подтвердили квантовый дарвинизм — теорию, объясняющую, как квантовые вероятности могут порождать объективную классическую реальность

Мир, в котором мы живём, не кажется нам квантово-механическим. Неудивительно, что у квантовой физики есть репутация странной и контринтуитивной науки. Но Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, и другие их современники обнаружили, что в самом «низу», среди атомов и субатомных частиц эта конкретика исчезает, превращаясь в кашу из возможностей. И до XX века все предполагали, что классические законы физики, выведенные Исааком Ньютоном и другими учёными – согласно которым у объектов всегда имеются точно определённые позиции и свойства – работают на всех масштабах. Возникает неприятный вопрос: и как же квантовые вероятности объединяются в чёткую картину классического мира?
Иногда физики называют это превращение «квантово-классическим переходом». Атому, к примеру, обычно нельзя приписать определённое местоположение – мы можем лишь рассчитать вероятность найти его в том или ином месте. В последние десятилетия исследователи очень хорошо разобрались в том, как квантовая механика неизбежно превращается в классическую посредством взаимодействия частицы или другой микроскопической системы с её окружением. Но на самом деле нет причин считать, что у большого и малого действуют фундаментально различные правила, или что между ними происходит резкий скачок.

Как и в естественном отборе, выживают те, кто сделает больше копий себя. Одна из наиболее примечательных идей в этой теоретической платформе состоит в том, что определённые свойства объектов, которые мы связываем с классической физикой – допустим, местоположение и скорость – выбираются из меню квантовых возможностей в процессе, немного напоминающем естественный отбор в эволюции: выживающие свойства оказываются, в некотором смысле, наиболее «подходящими». Это значит, что несколько независимых наблюдателей могут измерить квантовую систему и согласиться по поводу результатов – что является критерием классического поведения.


Чаоян Лу и Цзянь-Вэй Пань из китайского университета науки и технологий в Хэфэе

И хотя подробности загадки пока неясны, КД помогает закрыть кажущийся разрыв между квантовой и классической физиками. Эта идея, получившая название «квантовый дарвинизм» (КД), хорошо объясняет то, почему мы воспринимаем окружающий мир именно так, а не тем странным образом, который проявляет себя на масштабе атомов и фундаментальных частиц.

Три независимых исследовательских группы из Италии, Китая и Германии искали характерную особенность естественного отбора – многократное «отпечатывание» квантовой системы в различных контролируемых окружениях. И только в последнее время КД смогли проверить экспериментально. Но пока что теория подтверждается. Пока эти испытания проводятся на рудиментарном уровне, и эксперты говорят, что ещё многое предстоит сделать перед тем, как мы сможем уверенно сказать, что КД даёт нам верную картину того, как наша конкретная реальность появляется из множества вариантов, предлагаемых квантовой механикой.

Выживание наиболее приспособленных

В основе КД лежит неоднозначная идея измерения, то есть, совершения наблюдения. В классической физике мы просто видим всё, как есть. Мы наблюдаем, как теннисный мяч проделывает 200 км за час потому, что у него такая скорость. О чём тут ещё говорить?

Совершенно неочевидно, что формальные математические процедуры говорят о «положении вещей» касательно квантового объекта. В квантовой физике всё не так. Возьмём, к примеру, тот факт, что у квантовой частицы может быть сразу несколько возможных состояний – это положение вещей называется «суперпозиция». Они представляют собой некое описание, где указано, с чем мы можем столкнуться после проведения измерения. А до измерения различные состояния интерферируют друг с другом на манер волн, выдавая результаты с большей или меньшей вероятностью. Это не означает, что частица находится в нескольких состояниях сразу – это означает, что когда мы проведём измерение, мы увидим один из этих результатов.

Почему все эти вероятности разных состояний частицы не выживают, увеличиваясь до человеческих масштабов? Но почему мы не видим квантовой суперпозиции?

Но это не совсем так. Часто говорят, что суперпозиция – вещь хрупкая, её легко нарушить, когда квантовая система сталкивается с шумным окружением. Допустим, мы поместили атом в суперпозицию из двух возможных состояний его квантового свойства под названием «спин»: состояний «вверх» и «вниз». Два квантовых объекта, взаимодействуя, «запутываются» друг с другом, входя в общее квантовое состояние, в котором вероятности их свойств начинают зависеть друг от друга. Теперь они находятся в совместной суперпозиции. Мы выпускаем атом в воздух, где он сталкивается с молекулой воздуха и запутывается с ней. С ростом количества столкновений с другими молекулами воздуха запутанность распространяется, и суперпозиция, когда-то относившаяся только к этому атому, становится ещё более рассеянной. Если спин атома направлен вверх, то молекулу воздуха может оттолкнуть в одну сторону, а если вниз, то в другую – и две эти возможности существуют совместно. Для этого инструмента всё выглядит так, будто суперпозиция атома исчезла, и её заменило меню возможных классических состояний, которые уже не интерферируют друг с другом. Состояния атома уже не интерферируют когерентно друг с другом, поскольку теперь они запутаны с другими состояниями окружения – включая, возможно, и некий крупный измерительный инструмент.

Это важнейшая часть квантово-классического перехода, объясняющая, почему квантовое поведение сложно увидеть в больших системах со множеством взаимодействующих частиц. Этот процесс, в котором «квантовость» исчезает в окружении, называется декогеренцией. Если обычной пылинке в воздухе придать квантовую суперпозицию двух разных физических местоположений, расположенных на расстоянии ширины этой пылинки друг от друга, то столкновения с молекулами воздуха приведут к декогеренции – необнаружимости суперпозиций – примерно за 10-31 с. Этот процесс происходит чрезвычайно быстро. Даже в вакууме фотоны света быстро вызовут декогеренцию: нельзя посмотреть на пылинку, не уничтожив её суперпозицию.

Американский физик польского происхождения Войцех Зурек проработал эту идею в начале 1980-х и добавил ей известности, а теперь в её поддержку выступают и эксперименты. Удивительно, что, хотя декогеренция является прямым следствием квантовой механики, немецкий физик Хайнц-Дитер Зи обнаружил её только в 1970-х.


Войцех Зурек, физик-теоретик из национальной лаборатории Лос-Аламоса

Несколько наблюдателей каким-то образом могут согласиться насчёт свойств квантовых систем. Однако для того, чтобы объяснить появление объективной, классической реальности, недостаточно просто сказать, что декогеренция устраняет всё квантовое поведение и поэтому для наблюдателя всё выглядит классическим. Зурек, работающий в национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико, считает, что из этого следует истинность двух условий.

Зурек называет их «указательными состояниями», поскольку их можно закодировать через возможные состояния указателя на циферблате измерительного инструмента. Во-первых, у квантовых систем должны быть состояния, особенно стойкие перед лицом разрушительной декогеренции, оказываемой окружающей средой. Зурек утверждает, что классическое поведение – существование хорошо определённых, стабильных, объективных свойств – возможно только благодаря существованию указательных состояний квантовых объектов. Определённое местоположение частицы, её скорость, значение квантового спина, направление поляризации – всё это можно записать, как положение указателя на измерительном инструменте.

Это значит, что окружение не сокрушает квантовость без разбору, но выбирает определённые состояния, уничтожая другие. С математической точки зрения особенность указательных состояний состоит в том, что их не нарушают взаимодействия с окружающей средой, вызывающие декогеренцию: указательное состояние либо сохраняется, либо переходит в почти идентичное состояние. Но при этом суперпозиции различных местоположений не являются указательными состояниями: взаимодействия с окружающей средой декогерируют их в локализованные указательные состояния, так, что становится возможным наблюдать только одно из них. К примеру, местоположение частицы устойчиво к декогеренции. Зурек описал этот «порождаемый окружением суперотбор» указательных состояний в 1980-х.

Хотя невосприимчивость к взаимодействию с окружением гарантирует стабильность указательного состояния, мы всё же каким-то образом получаем довольно много информации о нём. Но есть и второе условие, которому квантовое свойство должно подчиняться для того, чтобы его можно было наблюдать. К примеру, когда вы видите объект, эта информация попадает на вашу сетчатку благодаря рассеивающимся на нём фотонам. А это возможно, только если она отпечатается на окружении объекта. Чтобы многие наблюдатели смогли согласиться с измеряемым значением, требуется много таких копий – и это является критерием классической картины мира. Они переносят эту информацию к вам в виде частичных копий определённых аспектов объекта, говорящих кое-что об его расположении, форме и цвете. Только те состояния, которые лучше всего справляются с созданием копий – так сказать, наиболее приспособленные из них – мы и можем наблюдать. Таким образом, как утверждал в 2000-х Зурек, наша способность наблюдать некое свойство зависит не только от того, было ли оно выбрано в качестве указательного состояния, но и от того, насколько сильный отпечаток оставляет оно на окружении. Поэтому Зурик называет эту идею квантовым дарвинизмом.

«Окружение через наблюдение приводит к декогеренции систем, — сказал Зурек, — и тот же процесс, который отвечает за декогеренцию, должен оставлять множество копий информации в окружении». Оказывается, что то же свойство стабильности, способствующее появлению суперотбора указательных состояний под воздействием окружающей среды, также способствует и приспособляемости согласно принципу КД, то есть, способности создавать свои копии.

Информационный перегруз

Конечно же, неважно, считывается ли информация о квантовой системе, отпечатывающаяся на её окружении, наблюдателем – человеком; всё, что нужно для появления классического поведения, чтобы информации появилась там, чтобы её можно было считать в принципе. «Не обязательно, чтобы систему изучали в формальном смысле», чтобы она превратилась в классическую, сказал Джесс Ридел, физик из института теоретической физики Периметр в Ватерлоо, сторонник КД. «Предполагается, что КД объясняет, или помогает объяснить всю классическую физику, включая повседневные макроскопические объекты, существующие вне лаборатории или существовавшие задолго до появления человека».

Они подсчитали, что пылинка диаметром в 1 мкм, освещаемая солнцем в течение 1 мкс, отпечатает информацию о своём местоположении на 100 млн рассеивающихся фотонов. Десять лет назад, когда Ридел был аспирантом Зурека, они теоретически показали, что информация от простой, идеализированной квантовой системы «оставляет большое количество копий на окружающей среде, — сказал Ридел, — поэтому достаточно получить доступ к небольшой части окружения, чтобы узнать значение переменных».

Десять наблюдателей могут измерить местоположение пылинки и обнаружить её в одном и том же месте, поскольку каждому доступна отдельная копия информации. Именно из-за этой избыточности и существуют объективные классические свойства. В этом смысле мы можем назначить пылинке объективное «местоположение», не потому, что оно у неё «есть» (что бы это ни значило), а потому, что состояние её местоположения может отпечатать множество своих копий в окружающей среде, так, что разные наблюдатели придут к консенсусу.

«Информация, которую можно собрать о системе, быстро насыщается», — сказал Ридел. Более того, не нужно отслеживать большую часть окружающей среды, чтобы собрать почти всю возможную информацию – и вы не получите никаких преимуществ в случае, если вы будете отслеживать больше, чем небольшой процент окружающей среды.

«Это свойство характеризует переход к классической картине», — сказал он. Эта избыточность – отличительная черта КД, объяснил Мауро Патерностро, физик из королевского университета в Белфасте, участвовавший в одном из трёх новых экспериментов.

Наоборот, говорит он, «квантовая теория идеально описывает появление классического мира». КД бросает вызов распространённому мифу о квантовой механике, как говорит физик-теоретик Адан Кабелло из Севильского университета в Испании, а именно: о том, что переход между квантовым и классическим миром непонятен, и что квантовая теория не может описать результаты измерений.

Некоторые исследователи думают, что декогеренция и КД дают полное описание квантово-классического перехода. Вопрос о том, насколько идеально, остаётся открытым. Когда выбирается определённое местоположение частицы, что происходит с другими возможностями, вытекающими из её квантового описания? Но, хотя эти идеи пытаются объяснить, почему на больших масштабах суперпозиция исчезает и остаются только конкретные, «классические» свойства, остаётся вопрос того, почему измерении дают уникальные результаты. Исследователи вынуждены буквально придерживаться философских интерпретаций квантовой механики, потому что никто не может придумать, как получить ответ на этот вопрос в эксперименте. Были ли они реальными в каком-либо смысле?

В лабораторию

На бумаге КД выглядит довольно убедительно. И до недавнего времени это было всё, чем он мог похвастаться. Но за прошедший год три команды исследователей независимо подвергли теорию экспериментальным проверкам, изучая её главную особенность: то, как квантовые системы отпечатывают свои копии на окружающей их среде.

Это невозможно сделать в случае, к примеру, когда пылинка летает вместе с бесчисленными миллиардами молекул воздуха. Эксперименты зависели от возможности подробно отслеживать то, какая именно информация о квантовой системе отпечатывается на её окружении. Оба эксперимента – один из которых проводил Патерностро с коллегами в университете Сапиенца в Риме, а другой – эксперт по квантовой информации Цзянь-Вэй Пань и его соавторы из университета наук и технологии Китая – использовали в качестве квантовой системы единственный фотон, а ещё несколько фотонов играли роль окружения, взаимодействующего с ним и рассылающего информацию о нём. Так что две команды создали квантовый объект в некоем «искусственном окружении», в котором содержалось лишь несколько частиц.

Затем они изучали фотоны из окружения, чтобы узнать, какую информацию об указательном состоянии фотона системы они закодировали – в данном случае, это была поляризация (ориентация колеблющихся электромагнитных полей), одно из квантовых свойств, способных пройти через фильтр отбора КД. Обе команды пропускали фотоны через оптические устройства, комбинирующие их в несколько запутанных групп.

Практически вся информация, которую можно собрать о квантовой системе, будет вам доступна, если вы будете отслеживать совсем небольшое количество частиц окружения. Ключевое предсказание КД – эффект насыщения. «Любой малой доли взаимодействующего окружения будет достаточно для обеспечения максимального количества классической информации, касающейся наблюдаемой системы», — сказал Пань.

Измерения всего одного фотона из окружения раскрыли множество доступной информации о поляризации системного фотона, а измерение большей доли окружающих фотонов давало всё меньше новой информации. Две команды обнаружили именно это. При более слабых взаимодействиях придётся отслеживать большую долю окружения. Даже единственный фотон может служить окружением, вызывающим декогеренцию и отбор, объяснил Пань, если он достаточно активно взаимодействует с одиноким системным фотоном.


Фёдор Железко, директор института квантовой оптики ульмского университета в Германии


Синтетический алмаз

Они состояли из одинокого атома азота, стоящего на месте атома углерода в кристаллической решётке алмаза – т.н. Третья экспериментальная проверка КД под руководством физика, специализирующегося на квантовой оптике, Фёдора Железко из института квантовой оптики ульмского университета в Германии, в которой участвовали Зурек и другие, использовала совершенно другую систему и окружение. Поскольку в атоме азота на один электрон больше, чем в атоме углерода, лишний электрон не может найти себе пару у соседних атомов углерода и сформировать химическую связь. азото-замещённая вакансия в алмазе, или NV-центр. В итоге неспаренный электрон играет роль одинокого «спина», представляющего собой нечто вроде стрелы, указывающей вверх или вниз, или, в общем случае, находящейся в суперпозиции обоих направлений.

У этих изотопов, в отличие от более распространённого углерода-12, тоже есть спин. Спин может магнитно взаимодействовать с ядрами углерода, существующими в атоме в виде изотопа углерод-13, и составляющими около 0,3% от общего количества атомов углерода. В среднем каждый спин NV-центра сильно связывается с четырьмя спинами углерода-13 на расстоянии в 1 нм.

Как писали они в препринте работы в прошлом сентябре, они также увидели характерную избыточность, предсказываемую КД: состояние спина азота «записывается» в виде множества копий в окружении, и информация, касающаяся спина, быстро насыщается при увеличении объёма рассматриваемого окружения. Управляя и отслеживая спины при помощи лазеров и радиоимпульсов, исследователи могли измерять, как изменение спина азота отзывается в изменении ядерных спинов окружения.

Исследователи сами назначают указательные состояния. Зурек говорит, что поскольку эксперименты с фотонами создают копии искусственным образом, в виде симуляции реального окружения, они не включают в себя процесс отбора, избирающего «естественные» указательные состояния, устойчивые к декогеренции. «У схемы с алмазом есть свои проблемы из-за размера окружения, — добавил Зурек, — но оно, по крайней мере, естественное». При этом алмазное окружение реально вызывает указательные состояния.

Обобщение квантового дарвинизма

Пока что КД держится. «Все эти исследования обнаружили то, что ожидалось, по крайней мере, приблизительно», — сказал Зурек.

И хотя на практике большинство квантовых измерений провести практически невозможно, если достаточно сильно упростить измерения, то прогнозы будут ясны, сказал он: «КД похожа на внутреннюю проверку квантовой теории на непротиворечивость». Ридел говорит, что вряд ли можно было ожидать обратного: по его мнению, КД – это просто тщательное и систематическое применение стандартной квантовой механики к взаимодействию квантовой системы с окружением.

Для начала, говорит Кабелло, три эксперимента дают только схематические версии того, из чего состоит реальное окружение. Но хотя эти исследования, на первый взгляд, согласуются с КД, их нельзя считать доказательством того, что эта теория является единственно верным описанием процесса возникновения классического мира, или даже того, что она полностью корректна. Теория «распространения спектра» [spectrum broadcasting], разработанная Павлом Городецким и его коллегами из гданьского технологического университета в Польше, к примеру, пытается обобщить КД. Более того, эксперименты не исключают других способов появления классической картины мира. Иначе говоря, она пытается гарантировать не только то, что разные наблюдатели могут получать доступ к копиям системы в окружении, но и то, что в процессе доступа они не влияют на другие копии. Теория распространения спектра (которую пока проработали для нескольких идеализированных случаев) касается состояний запутанной квантовой системы и её окружения, выдающих объективную информацию, которую многие наблюдатели могут получить, не нарушая состояния системы. Это тоже является свойством по-настоящему «классических» измерений.

Патерностро говорит, что задача обнаружения экспериментальных методов, способных определить очень тонкие различия между предсказаниями этих теорий, может оказаться трудной. Городецкий и другие теоретики также пытаются включить КД в теоретическую платформу, не требующую произвольного разделения мира на систему и её окружение, а просто рассматривающую то, как классическая реальность появляется из взаимодействий различных квантовых систем.

«Лучший аргумент в пользу проведения этих экспериментов, вероятно, состоит в том, что это хорошее упражнение, — сказал Ридел. И всё же исследователи не оставляют попыток, и они сами по себе должны улучшить наши возможности изучения принципов работы квантового мира. Единственный способ понять, что означают наши измерения, судя по всему – это проводить измерения лучшего качества. – Прямая демонстрация КД может потребовать проведения очень сложных измерений, расширяющих границы возможностей существующих сегодня лабораторных технологий».

Показать больше

Похожие публикации

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»