Что было раньше, квантовая курица или квантовое яйцо?

Квантовые физики ответили на вопрос «что было раньше, курица или яйцо?» в свойственной им манере. Согласно результатам австралийских экспериментаторов, курица была раньше, чем яйцо, и яйцо было раньше, чем курица.

Мы привыкли к тому, что события происходят в определённом порядке. Будильник звенит или до того, как мы проснулись, или после, но не одновременно «до» и «после».

Новый эксперимент австралийских физиков продемонстрировал систему, в которой невозможно определить, в каком порядке произошли события, размывая причинно-следственную связь. Так называемый квантовый переключатель, устройство, с помощью которого был получен этот парадоксальный результат, может оказаться весьма интересным для развития технологий квантовой информации.

Квантовая механика часто опровергает наши интуитивные представления о том, как устроен мир. Например, с точки зрения здравого смысла объект в данный момент времени может находиться только в одном месте. Но благодаря странности квантового мира, частица может одновременно находится в нескольких местах. Квантовый переключатель реализует похожую схему, но во времени, а не пространстве: событие А произошло до Б, а Б произошло до А.

Джулио Чирибелла из Оксфордского Университета в Великобритании и его коллеги предложили идею такого переключателя в 2009 году. Сейчас эта идея реализована экспериментально.

Эндрю Уайт, физик из Квинсландского Университета в Брисбане (Австралия), и его коллеги «посылали» фотоны через интерферометр – оптическое устройство, в котором луч света разделяется и идёт по двум разным путям, а в результате взаимодействия разделенных пучков можно наблюдать интерференционную картину.

Это давно известная манифестация волновой природы света, в результате которой совпадающие в пространстве максимумы интенсивности взаимно усиливают друг друга, а минимумы – соответственно ослабляют. Мы можем помещать разные оптические элементы, замедляющие или изменяющие характеристики света, на одном из путей. Это изменит интерференционную картину, благодаря чему мы узнаем о том, как именно свет взаимодействует с тем, что встречается на его пути.

Свет «состоит» из фотонов – элементарных частиц, которые переносят электромагнитное поле. Одна из характеристик этих частиц – это их поляризация, то есть плоскость, в которой колеблется конкретный фотон (точнее, составляющие электромагнитного поля). С помощью специальных устройств можно «заставить» фотоны колебаться только в горизонтальной или вертикальной плоскости, и в таких случаях мы говорим о горизонтально или вертикально поляризованном свете. В эксперименте Эндрю Уайта интерферометр был настроен таким образом, что вертикально поляризованные фотоны отправлялись по левой «дорожке» и потом возвращались в систему через правую, а горизонтально поляризованные – наоборот.

Законы квантовой механики позволяют фотону быть поляризованным горизонтально и вертикально одновременно, делая поляризацию диагональной. Когда такой фотон попадает в интерферометр, его волновая функция разбивается на вертикальную и горизонтальную составляющие, и получается, что фотон «расходится» по обоим направлениям одновременно и потом «воссоединяется» сам с собой. На обратном пути каждая компонента завершает траекторию, в результате проходя по всему интерферометру один раз, и при этом невозможно сказать, в каком порядке фотон с «раздвоением личности» проходит по квантовому переключателю.

Проверить, что именно происходит с фотоном во время эксперимента, очень сложно из-за особенностей квантовых законов. Непосредственное измерение должно схлопнуть такое «раздвоение личности», поэтому физикам пришлось изворачиваться, чтобы отследить последовательность, в которой фотон прошёл по интерферометру.

Для этого физики воспользовались тем фактом, что помимо поляризации каждый пучок света имеет форму (так называемое пространственное распределение интенсивности). Эту форму можно изменить с помощью различных оптических элементов, например, линз. Такое изменение является взаимодействием с фотоном. При определённой конфигурации эксперимента фотон должен менять направление своей диагональной поляризации на противоположное, поскольку изменённые компоненты обязаны воссоединиться.

Сравнение результатов наблюдений с неравенствами из области квантовой информации, которые описывают различные сценарии взаимодействия в системе, позволяют установить, что именно произошло внутри квантового переключателя. В итоге физики нашли конфигурацию, в которой фотон проходит по обоим путям эксперимента одновременно. Можно сказать, что в таком случае событие А вызвало событие Б, и в то же время событие Б вызвало событие А.

Такие контринтуитивные эксперименты требуют очень тщательной подготовки и осторожной интерпретации результатов. Но в случае успеха они открывают нам новые способы взаимодействия с квантовой информацией, откуда рукой подать до новых способов надёжной передачи данных. И, возможно, через пару поколений мы привыкнем к странностям квантовой механики на более интуитивном уровне, и подобные результаты не будут смущать наши умы, а станут сами собой разумеющимися.