Книга: Програмуючи Всесвіт. Квантовий комп’ютер та майбутнє науки
Книга: Програмуючи Всесвіт. Квантовий комп'ютер та майбутнє науки
Декогерентність
Якщо речі можуть бути в двох місцях одночасно, то чому нам невідомі випадки, коли каміння, люди і планети видно в декількох місцях відразу? Австрійський фізик Антон Цейлінгер успішно провів двощілинний експеримент над так званими бакіболами - конструкціями, що складаються з шістдесяти атомів вуглецю і нагадують формою футбольний м'яч [22]. Зараз він планує провести двощілинний експеримент над бактеріями, які приблизно у 100 разів більші за розміром, ніж бакіболи. Але чим більше об'єкт, тим важче «вмовити» його опинитися у двох місцях одразу. (Великі об'єкти зазвичай поводяться «класично», а не квантово-механічно.) Причина цього – не стільки фізичний розмір об'єкта, скільки можливість його бачити. Чим більший об'єкт, тим більше взаємодій він відчуває зі своїм оточенням, тому його легше виявити.Щоб пройти через обидві щілини одночасно і створити інтерференційну картину, частка має пройти через щілини непоміченою.
Припустимо, праву щілину ми поміщаємо датчик. Датчик реєструє присутність або відсутність частки щілини, дозволяючи в той же час частинці пройти через неї без змін. Коли датчик виявляє частинку, він клацає. Тепер виконаємо експеримент із двома щілинами при працюючому датчику. Подивимося на екран. О… інтерференційна картина зникла!
Що сталося? Ми пам'ятаємо, що інтерференційна картина виникає через хвилю, пов'язану з часткою. Ця хвиля, природно, проходить через обидві щілини одразу. Якщо наш датчик працює, частка, що проходить через праву щілину, змушує його клацнути, а якщо частка пройде через ліву щілину, клацання не буде. (Чи клацає датчик, це випадковий процес:частка може пройти через одну або іншу щілину з рівною ймовірністю.)
Коли датчик клацає та виявляє частинку, відповідна їй хвиля локалізується до правої щілини. Якщо датчик не клацає, хвиля локалізується до лівої щілини. Цей процес локалізації хвилі іноді називають "колапсом хвильової функції". Виходить, що якщо датчик «спостерігає» праву щілину, частка стає зобов'язаною пройти або через одну щілину, або через іншу; вона більше не проходить через обидві щілини одразу! Оскільки хвиля, що відповідає частинці, також перестає проходити через обидві щілини одночасно, вона вже не може інтерферувати сама з собою, щоб створити темні і світлі смуги інтерференційної картини.
Спостереження (або вимір, як його традиційно називають) руйнує інтерференцію. Якщо виміру немає, частка благополучно проходить через обидві щілини відразу; за наявності вимірювання вона проходить лише через одну чи іншу щілину. Іншими словами, вимір завжди змінює поведінку частки. Коли ми запитуємо частинку, де вона знаходиться, вона змушена зізнатися, що знаходиться в одному або іншому місці, але вже не в двох місцях відразу.
Цікаво відзначити, що в описаному вище експерименті вимір порушує хвилю частки незалежно від того, чи клацає датчик. За умовою датчик клацає тільки в тому випадку, якщо частка проходить через праву щілину, де він, власне, і знаходиться. Але якщо клацання датчика немає, а це означає, що частка пройшла через ліву щілину, інтерференційна картина все одно руйнується, тобто вимір все ще порушує хвилю частки. Частинці не потрібно навіть наближатися до датчика. (Як ваша голова, все ще крутиться?)
Наш датчик не обов'язково має бути макроскопічним пристроєм. Все, що потрібно для того, щоб зруйнувати інтерференційнукартину, - це якась система як завгодно малого розміру, яка може отримати інформацію про положення частинки. Якщо частка стикається з електроном або молекулою повітря, що пролітає повз, це теж зруйнує інтерференційну картину!
Тепер ясно, чому ми бачимо великі об'єкти тільки в одному чи іншому місці, але не в обох відразу. Камені, люди та планети постійно взаємодіють зі своїм оточенням. Кожна взаємодія з електроном, молекулою повітря, часткою світла локалізує систему. Великі об'єкти взаємодіють із великою кількістю невеликих об'єктів, кожен із яких отримує інформацію про місцезнаходження великого об'єкта. Тому великі об'єкти, як правило, виявляються або тут або там, але не тут і там одночасно.
Процес, у якому оточення руйнує хвильову природу речей, отримуючи інформацію про квантової системи, називають декогерентністю. Декогерентність дуже поширений процес. Згадайте міркування, яке ми наводили вище про збільшення ентропії: майже будь-яка взаємодія між двома об'єктами призводить до того, що перший об'єкт отримує інформацію про другий і навпаки. Як свідчить феномен поширення незнання, такі взаємодії змушують ентропію об'єктів, взятих окремо, збільшуватися. Той самий механізм змушує квантові об'єкти поводитися більш класичним способом.