Спасти кота Шредингера

Номинация

Физика

Формулировка

«За новаторские экспериментальные методы, позволяющие измерять и контролировать отдельные квантовые системы».

Серж Арош и Дэвид Уайнленд

Кому

Серж Арош из Коллеж де Франс, Франция, и Дэвид Уайнленд из Национального института стандартов и технологий, США.

Путь до Нобеля

Вся научная карьера. Диссертация Ароша, написанная в 1967–1971 годах, уже была посвящена взаимодействию атомов и фотонов, что в конце концов привело его к знаменитым работам 90-х годов и нынешней премии. Уайнленд же свою диссертацию писал по теме мазеров, а уже в 1973 году опубликовал статью, где постулировал, что ионы можно поймать в ловушку, и позже подтвердил свою идею экспериментально.

За что дали

Оба физика смогли изучить состояние отдельных атомов и фотонов. Суть экспериментов одинакова — подход разный. Арош создал установку из двух зеркал, смотрящих друг на друга с расстояния 2,7 см. Зеркала охлаждались почти до абсолютного нуля, и между ними запускали пучки фотонов. Частицы могли скакать между зеркалами довольно долго — десятую долю секунды, — и в это время в щель между зеркалами «вбрасывали» атомы. Те хоть напрямую и не взаимодействовали с фотонами, но на выходе могли «рассказать» об их свойствах.

Уайнленд предпочел обратный порядок действий: в ловушку (на сей раз электромагнитную) он помещал отдельные ионы, а уже их облучал лазером, чтобы привести в конкретное квантовое состояние. То есть в обоих случаях имело место взаимодействие квантов света (фотонов) с отдельными атомами вещества. Причем мы либо очень точно узнавали, что происходит на уровне одного атома, либо манипулировали этим атомом.

Цитата

«Мы никогда не проводили опыты с одним электроном, или атомом, или маленькой молекулой. В мысленных экспериментах мы иногда так поступаем — это неизбежно приводит к нелепым последствиям…» (Эрвин Шредингер, 1952 год)

Интрига

Без кота Шредингера здесь не обойтись. Поэтому пересказываем уважаемой публике то, что ей, конечно, известно из школьного курса физики. Эрвин Шредингер проделал мысленный эксперимент: посадил в ящик кота и поместил туда же радиоактивный атом и капсулу с цианидом, открывающуюся при распаде атома. Штука в том, что рассчитать, когда распадется атом, невозможно в принципе. Атом — квантовая система, и по законам квантовой механики ведет себя вероятностно. Можно лишь увидеть результат: атом распался — кот мертв, атом цел — кот жив. Чтобы понять это, ящик нужно открыть, а до того момента, опять же по законам физики, и атом и кота предлагается считать находящимися в суперпозиции: атом одновременно распался и не распался, а кот одновременно и жив и мертв. Всегда есть опасность разрушить это двойственное состояние, открыв ящик не вовремя и убив таким образом кота.

Нынешние нобелевские лауреаты фактически научились узнавать состояние атома (а значит, и кота), не разрушая его квантового состояния. Так что теперь можно смело открывать ящик, когда кот жив. Заметим: во время экспериментов ни один кот не пострадал.

Последствия

Это открытие может привести к созданию квантовых компьютеров, новой криптографии и сверхточных часов.

Предыдущая Начало Продолжение