Wobec tych wszystkich bardzo dziwnych zjawisk, jakie mogą występować w świecie mechaniki kwantowej: począwszy od splątania poprzez superpozycję aż do teleportacji, zdawałoby się, że niewiele może nas zaskoczyć. Niemniej jednak stwierdzenie, że właściwości fizyczne obiektu można oddzielić od samego obiektu nie jest czymś do czego bylibyśmy przyzwyczajeni na co dzień. Tymczasem Yakir Aharonov z Uniwersytetu w Tel Awiwie i jego współpracownicy udowadniają, że jest to możliwe. Swój nowy artykuł rozpoczęli cytatem z Alicji w Krainie Czarów Lewisa Carrola:

„- Dobrze – powiedział Kot i tym razem zniknął dość powoli, zaczynając od końca
ogona, a kończąc na uśmiechu, który pozostał przez pewien czas po tym, jak reszta znikła.

– Dobrze! Ja często widywałam kota bez uśmiechu – pomyślała Alicja – ale uśmiech bez kota!
To najbardziej ciekawa rzecz, jaką kiedykolwiek widziałem w moim życiu! „

Fizycy teoretycznie wykazali, że zjawisko, które nazwali kwantowym kotem z Cheshire jest nieodłączną cechą mechaniki kwantowej,  i może okazać się przydatne przy wykonywaniu precyzyjnych pomiarów kwantowych poprzez usunięcie niechcianych właściwości.

Podobnie jak uśmiech jest własnością kota, polaryzacja jest własnością fotonu. W swoim artykule fizycy wyjaśniają w jaki sposób „może istnieć polaryzacja fotonów, nawet jeżeli nie ma w ogóle fotonów”.

quantumcheshirecat

W proponowanym doświadczeniu foton będzie przemieszczać się w lewym ramieniu interferometru, ze 100% pewnością, ale mimo to jego polaryzacja może być wykryta w prawym ramieniu, gdzie występuje zerowe prawdopodobieństwo wystąpienia fotonów! Oznacza to, że fotony są w jednym miejscu a ich polaryzacja –  w drugim.

Jednakże  jest jedno zastrzeżenie: w tym eksperymencie nie mierzy się położenia fotonu i jego polaryzacji jednocześnie, lecz mierzy się położenie niektórych fotonów i polaryzację innych, w różnych chwilach czasu. Nasuwa się pytanie, czy możliwe jest, że sam pomiar polaryzacji zakłóca fotony, skłaniając je do zmiany kursu i podróży przez prawe ramię?

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zaproponowali dwa dodatkowe warianty eksperymentu.

W pierwszym wariancie, fizycy teoretyczne pokazali, że jednoczesny pomiaru położenia fotonu i polaryzacji rzeczywiście powoduje, że foton zmienia trajektorię i przemieszcza się w prawym ramieniu. Oznacza to, że sam akt pomiaru zmienia wynik, a paradoks wydaje się znikać. Zresztą wiele paradoksów w mechanice kwantowej jest wyjaśnianych zakłóceniem pomiaru wywoływanym jednoczesnym pomiarem wielu własności.

Tu jednak fizycy  poszli o krok dalej i pokazali, że rzeczywiście istnieje kwantowa wersja kota z Cheshire proponując kolejny eksperyment, którym ograniczzli zakłócenia pomiaru. W tym eksperymencie fizycy poszli na kompromis między zakłóceniem badanego obiektu a  precyzją samego pomiaru wykonując tzw „słaby” pomiar, który nie jest bardzo dokładny, ale powoduje bardzo niewielkie zakłócenia.

W tej konfiguracji, detektory stosowane w poprzednich dwóch eksperymentów są zastępowane przez kamerę CCD i elementu optycznego, które powodują bardzo mało zakłócenia. Kiedy za pomocą tego układu lokalizacja fotonu i polaryzacja były mierzone równolegle, wyniki okazały się identyczne, jak te otrzymane z pierwszego eksperymentu: fotony znajdowały się w lewym ramieniu podczas gdy polaryzacja – w prawym.

Wynik ten oznacza, że ​​rozdzielenie własności od obiektu jest naprawdę cechą mechaniki kwantowej, a nie tylko fotonów. Fizyków przewidują, że takie samo zjawisko może mieć miejsce w przypadku  elektronów, w szczególności może dotyczyć ładunku lub spinu.   Jednak, podczas gdy eksperyment optyczny może być realizowany przy obecnej technologii, naukowcy zdają sobie sprawę że jego wersja dla elektronów jest jeszcze poza naszym zasięgiem.

Szersze implikacje

Jak wyjaśniają fizycy, słabe pomiary mogą być wykorzystane do ponownego zbadania innych paradoksów kwantowych.

„Mamy wiele przykładów, w których słabe pomiary na nowo przywracają do życia paradoksy. W rzeczywistości jest dość ogólna metoda i może być stosowana do wszystkich paradoksów, które do tej pory były uznawane za iluzje znikające gdy wykonywano rzeczywiste pomiary.

Fizycy wyjaśnili ten temat bardziej szczegółowo w niedawnym artykule na temat paradoksu Hardy’ego. Tu też zastosowali tę samą strategię słabych pomiarów, do prawdopodobnie najbardziej znanego paradoksu mechaniki kwantowej, w którym występuje ujemna energii kinetyczna. Energia kinetyczna jest z definicji jest dodatnia, ale wydaje się że ta nie jest dla cząstek, które zostały przechodzą przez barierę potencjału.

Przykład tunelowania był wykorzystywany w kółko, w niemal wszystkich klasycznych podręcznikach mechaniki kwantowej, by wyjaśnić, jak mechanika kwantowa działa, i że paradoksy są niczym więcej jak złudzeniami wynikających z chęci zastosowania klasycznego myślenia, oraz że „poprawne” rozumienie mechaniki kwantowej, a mianowicie faktu, że pomiary wytwarzają zakłócenia całkowicie usuwa paradoks. Badacze pokazali, że opisywany standardowy sposób usuwania paradoksów powoduje powstanie złe intuicji i likwiduje wszystko, co jest naprawdę interesujące w mechanice kwantowej.

Co do obecnego paradoksu, istnienie kwantowej Kota z Cheshire otwiera wiele intrygujących pytań. Na przykład, w jaki sposób rozdzielenie masy i ładunku elektronu wpływa na pobliskie elektrony? Jak będzie wyglądać pole grawitacyjne w atomie z oddzieloną energią wewnętrzną? Czy fotony z oddzieloną polaryzacją mogą wywierać ciśnienie na jeden obiekt a polaryzację przekazywać inny? Fizycy nadzieję, że przyszłe prace odpowiedzą na te pytania.

Dodaj komentarz