Существование «неклассических» траекторий подтвердили в эксперименте с тремя щелями

Существование «неклассических» траекторий подтвердили в эксперименте с тремя щелями

Международная группа физиков экспериментально подтвердила, что при прохождении фотона через три щели вклад в получаемую в результате интерференционную картину дают и невозможные с точки зрения классической физики траектории. Это открытие подтвердило некорректность широко распространенного наивного понимания принципа квантовой суперпозиции и, возможно, позволит усилить существующие схемы работы квантовых компьютеров. Работа опубликована в журнале Nature Communications. С ее текстом можно ознакомиться также на сайте препринтов arxiv.org.

Группа экспериментаторов, возглавляемая известным физиком Робертом Бойдом (который, в частности, был первым, кто осуществил «замедление света» при комнатной температуре), придумала и реализовала схему, демонстрирующую вклад так называемых «неклассических» траекторий в картину, получаемую при интерференции фотонов на трех щелях.

Интерференция на двух щелях — это классический эксперимент, демонстрирующий волновые свойства света. Впервые он был осуществлен в самом начале XIX века Томасом Юнгом и стал одной из главных причин отказа от доминирующей тогда корпускулярной теории света.

В начале XX века, однако, было выяснено, что свет все же состоит из частиц, получивших название фотонов, но эти частицы загадочным образом обладают и волновыми свойствами. Возникла концепция корпускулярно-волнового дуализма, которая была распространена также и на частицы материи. В частности, наличие волновых свойств было обнаружено у электронов, а позднее и у атомов и молекул.

В квантовой механике — новом разделе физики, возникшем в результате этих открытий, — возникновение интерферометрической картины в эксперименте с двумя щелями играет одну из центральных ролей. Так, Ричард Фейнман в своих «Фейнмановских лекциях по физике» пишет, что это явление, «которое невозможно, совершенно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом. В этом явлении таится самая суть квантовой механики».

В 2012 году в работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, авторы обратили внимание, что принцип суперпозиции в этом случае зачастую понимают и даже объясняют в учебниках неправильно. Обычно говорят, что состояние частицы после прохождения двух щелей представляет собой суперпозицию ее состояний после прохождения каждой из щелей при закрытой другой щели, однако это не совсем так. Когда открыты обе щели, каждая из них оказывает влияние на другую и частица, вообще говоря, теперь проходит каждую из щелей не так, как проходила бы ее, если бы другая щель была закрыта. И хотя отличие невелико и его сложно измерить в эксперименте, оно может играть роль, если рассматриваются слабые эффекты. Кроме того, как оказалось, влияние щелей друг на друга можно усилить.

Влияние одной щели на другую на квантовом языке проще объяснять через одно из альтернативных описаний квантовой физики, разработанное тем же Ричардом Фейнманом. Согласно его подходу, известному как «интегралы по траекториям», при перемещении частицы из одной точки в другую она проходит сразу по всем возможным траекториям, соединяющим эти точки, но каждая траектория имеет свой «вес». Наибольший вклад дают траектории, близкие к тем, которые предсказывает классическая физика, — именно поэтому квантовые законы в пределе сводятся к классическим. Но и другие траектории тоже важны.

Среди этих траекторий могут быть и такие, которые совершенно невозможны классически. Они, скажем, могут содержать участки, на которых частица движется в обратную сторону. В случае эксперимента с щелями это, например, траектории, которые сначала входят в одну щель, затем проходят через другую, а затем выходят через третью. Именно такие странные траектории и объясняют влияние одной щели на другую, потому что только они отсутствуют, когда одна из щелей закрыта.

Чтобы доказать наличие «неклассических» траекторий, Роберт Бойд с коллегами предложили усилить их влияние за счет возбуждения так называемых приповерхностных плазмонов. Плазмоны — это связанное состояние фотона и электрона в металле. За счет них свет оказывается как бы привязанным к поверхности металла и может эффективно распространяться вдоль нее на относительно большие расстояния. Существование плазмонов увеличивает влияние одной щели на другую и, соответственно, «вес» траекторий, идущих от одной щели к другой.

В эксперименте Бойда щели были вырезаны пучком ионов в слое золота, напыленного на прозрачное стекло. Поскольку золото хороший проводник, то в нем легко возбуждаются плазмоны.

На данный момент не совсем понятно, могут ли эти исследования иметь какое-то значение для прикладных задач. Авторы работы надеются, что с помощью усиления неклассических траекторий можно создавать более эффективные протоколы работы устройств, основанных на явлении квантовой суперпозиции и интерференции, — например, квантовых компьютеров, предназначенных для симуляции реальных квантовых систем (так называемые, квантовые симуляторы).

Кроме того, учет неклассических траекторий важен для еще одного направления в современной фундаментальной физике. Одна из главных нерешенных проблем, стоящих перед учеными, — это объединение квантовой теории с теорией гравитации. На этом пути существуют принципиальные сложности, которые, как считают многие, можно преодолеть, только видоизменив или одну из этих теорий, или сразу обе. Поэтому сейчас идут поиски возможных расхождений реальности с предсказаниями этих теорий. Одним из направлений является поиск отклонений от принципа квантовой суперпозиции. Так, в 2010 году было опубликовано исследование, авторы которого пытались найти такие отклонения в трехщелевом эксперименте. Никаких расхождений не обнаружили, но эта статья спровоцировала упоминавшуюся выше работу 2012 года. Один из ее выводов заключался как раз в том, что в эксперименте 2010 года было использовано неправильное понимание принципа квантовой суперпозиции и это внесло свою долю неучтенной ошибки в измерения. И хотя величина этой ошибки была мала, эффект, который ищут ученые, тоже может быть невелик, поэтому в таких поисках вклад неклассических траекторий следует все же учитывать.

Артём Коржиманов

N+1

Похожие новости:
Ученые обнаружили мост из тёмной материи
Ученые объявили об обнаружении «моста» из тёмной материи.Астрономы из Мичиганского университета под руководством Йорга Дитриха провели измерения филамента из тёмной материи,который соединяет скопления двух галактик Abell222 и Abell223,которые от нас отстоят на 2.7миллиардов световых лет.Они полностью подтверждают существование тёмной ..
2012-07-6 2272 0 Научные открытия
0
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Ученые-физики из Европейской организации ядерных исследований CERN, работающие с Большим адронным коллайдером (БАК), зарегистрировали и экспериментально подтвердили существование одного из самых редких видов распада частиц в природе. Существование такого вида распада наносит сокрушительный удар по теории ..
2012-11-16 3537 4 Научные открытия
0
Ученые предсказали существование самой легкой формы льда
Ученые из Университета Небраски-Линкольна предсказали существование семнадцатой формы льда с рекордно низкой плотностью. Результаты работы были опубликованы в журнале Science Advances.Новая форма льда, согласно исследованиям ученых, при обычных условиях представляет собой клатрат s-III — кристаллическое ..
2016-02-14 1552 0 Научные открытия
4
Эксперимент подтвердил существование истинно нейтральной частицы
Физики из США создали сверхпроводник, в котором наблюдали связанные состояния майорановских фермионов. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Science, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Принстонского университета. Майорановский фермион является массивной частицей с полуцелым спином и нулевыми ..
2014-10-04 1825 0 Научные открытия
0
Ученые запустили проект "Охотники на Хиггса"
Американские ученые запустили проект «Охотники на Хиггса» (Higgs Hunters), в рамках которого любой желающий может рассматривать изображения, записанные на Большом адроном коллайдере (БАК), и находить ранее неизвестные элементарные частицы. О проекте сообщается в пресс-релизе Нью-Йоркского университета. «Теперь, ..
2014-11-30 1859 0 Научные открытия
-1
Ученые доказали существование параллельных миров
Открытие в области математики, которое сделала команда ученых из Оксфордского университета, доказывает, что параллельные миры действительно существуют. Сама теория таких миров появилась еще в 1950 в США (ее автор - Хью Эверетт) и объяснила тайны квантовой механики, вызывавшие споры ученых. В эвереттовской «многомирной» ..
2012-10-7 4184 2 Научные открытия
1
Получены доказательства существования гравитационных волн
Астрофизики обнаружили характерную картину поляризации реликтового микроволнового излучения, которая является наиболее прямым доказательством существования гравитационных волн и справедливости инфляционной модели Вселенной. По словам многих ученых, в случае подтверждения открытие может быть удостоено Нобелевской ..
2014-03-18 2340 0 Научные открытия
0
Еще один шаг к тайнам нуклонов
Силы, действующие внутри атомных ядер, вызывают у физиков исключительный интерес. Новые эксперименты в области промежуточных энергий позволяют сделать еще один шаг к пониманию свойств сильного взаимодействия. Чтобы понять природу сильного взаимодействия в деталях, исследователи проводят сложные эксперименты, ..
2013-12-2 1686 3 Научные открытия
0
Исследователь назвал бессмысленным открытие бозона Хиггса
Сторонник теории о том, что эксперименты, проводимые на Большом адронном коллайдере - опасны, исследователь-физик Евгений Довгель рассказал об этом «Русской службе новостей». «Теоретическая физика давно находится в кризисе. И запуск коллайдера - это надежда вырваться из него. Коллайдерная физика открывает те частицы, ..
2012-07-4 2810 0 Научные открытия
0
Найдена частица бога
Специалисты Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) готовятся сообщить общественности о нахождении бозона Хиггса — «божественной частицы», от которой, по существующей версии, образовалась вся существующая материя. Этого события ждали давно. Пожалуй, ради него и строился в Женеве ..
2012-07-3 8506 0 Научные открытия
0
Существование океанов магмы на Земле подтвердилось
Существование океанов магмы на Земле подтвердилось. Международная группа исследователей при помощи рентгеновской интерферометрии изучили поведение силикатных жидкостей - расплавов пород, из которых в основном состоит мантия Земли. В результате удалось подтвердить гипотезу о существовании в далеком прошлом на Земле ..
2013-11-8 1918 0 Научные открытия
0
В озере Восток нашли бактерии с Камчатки
Во пробе льда из уникального антарктического водоема обнаружились следы микроорганизмов из термальных источников полуострова. «10 января получен первый керн из прозрачного озерного льда...» - сообщил сайт Арктического и антарктического научно-исследовательского института Росгидромета (ААНИИ). Это уже вторая порция льда ..
2013-01-11 1792 0 Научные открытия
0
На Земле существовал неизвестный вид первобытного человека
Исследования генома денисовского человека показали, что на Земле существовал ранее неизвестный вид первобытного человека, считает директор Института археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук Анатолий Деревянко. «У «денисовца» до 17% геномов от неандертальца, 4% - от генома неизвестного вида и подвида», ..
2013-06-14 1805 0 Научные открытия
1
Живые организмы в космосе: подведены итоги эксперимента
На протяжении полутора лет на МКС проводился эксперимент, призванный выяснить, способны ли живые организмы выжить в условиях открытого космоса.В 2008 году ученые отправили на орбиту комплект различных биологических материалов: споры бактерий, семена, лишайники, сообщает «WordScience.org». Образцы были помещены ..
2012-06-28 4752 0 Научные открытия
0
Ученые: нейронные сети мозга могут включать друг друга
Механизмы взаимного включения и выключения общефункциональных систем нейронов (нейронных сетей) были предсказаны при экспериментах на животных. Группе ученых из Стэндфордского университета удалось впервые выявить такой механизм в человеческом мозге, а также искусственно активировать его. Возбуждение «активных» нейронных ..
2013-11-29 2372 0 Научные открытия
0