Нобелевская премия по физике 2012 года присуждена Сержу Арошу (Serge Haroche) из College de France (Франция) и Дэвиду Уайнленду (David Wineland) из Национального Института стандартов (США) за создание «революционных экспериментальных методов, открывающих возможности измерений и манипуляций с индивидуальными квантовыми системами». В экспериментальной группе, возглавляемой Дэвидом Уайнлендом, в качестве таких систем выступают единичные ионы либо нейтральные атомы, заключенные в оптические ловушки. В группе Сержа Ароша предпочитают работать с более экзотическими, так называемыми ридберговскими атомами. По сути обычные атомы щелочных элементов, внешний электрон которых заброшен на очень далекую от ядра орбиту (главное квантовое число n>50). Такие атомы обладают набором уникальных свойств, делающих их удобным объектом для квантовых экспериментов: они могут помнить свое квантовое состояние очень долго (по атомным масштабам), десятки миллисекунд, и в то же время могут очень охотно обмениваться этим состоянием с СВЧ-излучением правильной частоты.
Ключевым в формулировке Нобелевского комитета является, безусловно, слово «индивидуальными». Умение работать с индивидуальными квантовыми объектами открывает совершенно новые возможности в экспериментальной физике. В частности, охлажденные до миллионных долей кельвина индивидуальные ионы в экспериментах Уайленда с коллегами позволили им создать рекордные по точности атомные часы (уход — меньше секунды за 4 миллиарда лет). В группе Сержа Ароша была продемонстрирована регистрация с помощью ридберговских атомов единичных квантов СВЧ-излучения, причем без поглощения последних (так называемое квантовое невозмущающее измерение числа квантов; что интересно, для куда более «весомых» оптических квантов эта задача не решена до сих пор). Хрестоматийным примером перспективного применения индивидуальных квантовых систем являются квантовые компьютеры.
Однако подобные эксперименты имеют и огромное фундаментальное значение. Проблема в том, что «обычная» квантовая механика создавалась в 20-е годы прошлого века для описания больших коллективов квантовых систем, и она сталкивается с проблемами, когда требуется предсказать поведение единичного объекта. В качестве простейшего примера можно привести квант света (фотон), падающий на полупрозрачное зеркало. Простой квантовый расчет дает, что половина энергии фотона отразится от зеркала и вторая пройдет сквозь него. Возникнет состояние, называемое «квантовой суперпозицией». Однако эксперимент дает совсем другой результат. Если разместить по фотодетектору на пути прошедшей и отраженной половинок, то один, и только один, из них (какой именно — заранее непредсказуемо) зарегистрирует весь квант целиком.
Для того, чтобы примирить квантовую теорию с реальностью, еще на заре ее развития к ней был добавлен дополнительный так называемый постулат о редукции, утверждающий, что при столкновении с классическим наблюдателем состояние квантовой суперпозиции мгновенно схлопывается (редуцирует) в один из вариантов (фотон отразился — фотон прошел насквозь). Причем редукция происходит мгновенно, «со скоростью мысли». Понятие «классический наблюдатель» при этом никак не определяется, что приводит к парадоксам, самый известный из которых — знаменитый кот Шредингера.
Что если один из упомянутых фотодетекторов вызывает срабатывание механизма, убивающего котика? Если решать задачу строго по квантовой теории, то несчастный зверь окажется в состоянии квантовой суперпозиции «живой+мертвый». Но если кот является «классическим наблюдателем», то произойдет редукция, и он будет либо на 100% жив, либо на 100% мертв.
В 50-е годы прошлого века было показано, что в принципе можно отказаться от постулата редукции, но для этого требуется принять точку зрения, что вполне макроскопические объекты, включая и людей, надо рассматривать как квантовые сущности, которые могут реально находиться в состоянии квантовой суперпозиции. Однако из этой точки зрения следуют выводы, по сравнению с которыми блекнет все, до чего пока что додумались фантасты. Возможно, поэтому большинство физиков хотя и охотно признают, что «вся вселенная квантовая», тем не менее не спешат отказаться от привычной формулировки квантовой теории, включающей постулат о редукции.
Помочь разобраться с этим могут только эксперименты с индивидуальными квантовыми объектами. Пока что «коты Шредингера», которых удавалось реально приготовить в лаборатории, были очень маленькими — один ион, один атом. Однако сейчас уже готовятся эксперименты, в которых будут исследоваться вполне макроскопические, видимые невооруженным глазом, индивидуальные квантовые системы. Возможно, они помогут освободить квантовую теорию от постулата о редукции (а возможно, наоборот, продемонстрируют, что она все-таки действительно происходит на каком-то уровне макроскопичности).
Фарид Халили,
доктор физ.-мат. наук, профессор физического факультета МГУ