Кван­то­вый про­рыв: Уче­ные пе­ре­осмыс­ли­ва­ют при­ро­ду ре­аль­но­сти

Кван­то­вые фи­зи­ки из Уни­вер­си­те­та Хи­ро­си­мы об­на­ру­жи­ли, что ре­зуль­та­ты кван­то­вых из­ме­ре­ний фун­да­мен­таль­но свя­за­ны с ди­на­ми­кой вза­и­мо­дей­ствия между из­ме­ри­тель­ным при­бо­ром и си­сте­мой, что опро­вер­га­ет тра­ди­ци­он­ные пред­став­ле­ния о фик­си­ро­ван­ных фи­зи­че­ских свой­ствах и пред­по­ла­га­ет, что ре­аль­ность фор­ми­ру­ет­ся кон­тек­стом этих вза­и­мо­дей­ствий. По­лу­чен­ные ре­зуль­та­ты ука­зы­ва­ют на необ­хо­ди­мость пе­ре­осмыс­ле­ния ин­тер­пре­та­ции кван­то­вых экс­пе­ри­мен­таль­ных дан­ных.

Когда точ­ность из­ме­ре­ний при­бли­жа­ет­ся к пре­де­лу неопре­де­лен­но­сти, уста­нов­лен­но­му кван­то­вой ме­ха­ни­кой, ре­зуль­та­ты ста­но­вят­ся за­ви­си­мы­ми от ди­на­ми­ки вза­и­мо­дей­ствия между из­ме­ри­тель­ным при­бо­ром и си­сте­мой.

Этот вывод может объ­яс­нить, по­че­му кван­то­вые экс­пе­ри­мен­ты часто дают про­ти­во­ре­чи­вые ре­зуль­та­ты и могут про­ти­во­ре­чить ос­нов­ным пред­по­ло­же­ни­ям о фи­зи­че­ской ре­аль­но­сти.

Ана­лиз и ре­зуль­та­ты ис­сле­до­ва­ния

Два кван­то­вых фи­зи­ка из Уни­вер­си­те­та Хи­ро­си­мы недав­но про­ана­ли­зи­ро­ва­ли ди­на­ми­ку из­ме­ри­тель­но­го вза­и­мо­дей­ствия, в ко­то­ром зна­че­ние фи­зи­че­ско­го свой­ства отож­деств­ля­ет­ся с ко­ли­че­ствен­ным из­ме­не­ни­ем со­сто­я­ния из­ме­ри­те­ля. Это слож­ная за­да­ча, по­сколь­ку кван­то­вая тео­рия не поз­во­ля­ет опре­де­лить зна­че­ние фи­зи­че­ско­го свой­ства, если си­сте­ма не на­хо­дит­ся в так на­зы­ва­е­мом «соб­ствен­ном со­сто­я­нии» этого свой­ства — очень малом на­бо­ре осо­бых кван­то­вых со­сто­я­ний, для ко­то­рых фи­зи­че­ское свой­ство имеет фик­си­ро­ван­ное зна­че­ние.

Ис­сле­до­ва­те­ли ре­ши­ли эту фун­да­мен­таль­ную про­бле­му, объ­еди­нив ин­фор­ма­цию о про­шлом си­сте­мы с ин­фор­ма­ци­ей о ее бу­ду­щем в опи­са­нии ди­на­ми­ки си­сте­мы в про­цес­се из­ме­ри­тель­но­го вза­и­мо­дей­ствия, про­де­мон­стри­ро­вав, что на­блю­да­е­мые зна­че­ния фи­зи­че­ской си­сте­мы за­ви­сят от ди­на­ми­ки из­ме­ри­тель­но­го вза­и­мо­дей­ствия, с по­мо­щью ко­то­ро­го они на­блю­да­ют­ся.

Вза­и­мо­дей­ствие фор­ми­ру­ет гра­фик на­блю­да­е­мой ре­аль­но­сти

Со­глас­но кван­то­вой тео­рии, ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний опре­де­ля­ют­ся из­ме­не­ни­я­ми в со­от­но­ше­нии между про­шлым и бу­ду­щим си­сте­мы, вы­зван­ны­ми из­ме­ри­тель­ным вза­и­мо­дей­стви­ем. Credit: Tomonori Matsushita and Holger F. Hofmann, Hiroshima University.

Ре­зуль­та­ты сво­е­го ис­сле­до­ва­ния груп­па уче­ных недав­но опуб­ли­ко­ва­ла в жур­на­ле Physical Review Research.

«Су­ще­ству­ет много раз­но­гла­сий по по­во­ду ин­тер­пре­та­ции кван­то­вой ме­ха­ни­ки, по­сколь­ку раз­лич­ные экс­пе­ри­мен­таль­ные ре­зуль­та­ты не могут быть со­гла­со­ва­ны с одной и той же фи­зи­че­ской ре­аль­но­стью», — ска­зал Холь­гер Хофманн, про­фес­сор Выс­шей школы пе­ре­до­вых наук и ин­же­не­рии Уни­вер­си­те­та Хи­ро­си­мы в Хи­ро­си­ме (Япо­ния).

«В дан­ной ра­бо­те мы ис­сле­ду­ем, как кван­то­вые су­пер­по­зи­ции в ди­на­ми­ке из­ме­ри­тель­но­го вза­и­мо­дей­ствия фор­ми­ру­ют на­блю­да­е­мую ре­аль­ность си­сте­мы, про­яв­ля­ю­щу­ю­ся в от­кли­ке из­ме­ри­тель­но­го при­бо­ра. Это боль­шой шаг к объ­яс­не­нию смыс­ла по­ня­тия „су­пер­по­зи­ция“ в кван­то­вой ме­ха­ни­ке», — ска­зал Хофманн.

Су­пер­по­зи­ция и фи­зи­че­ская ре­аль­ность

В кван­то­вой ме­ха­ни­ке су­пер­по­зи­ция опи­сы­ва­ет си­ту­а­цию, в ко­то­рой две воз­мож­ные ре­аль­но­сти как бы со­су­ще­ству­ют, хотя их можно четко раз­ли­чить при со­от­вет­ству­ю­щем из­ме­ре­нии. Ана­лиз, про­ве­ден­ный груп­пой ис­сле­до­ва­те­лей, поз­во­ля­ет пред­по­ло­жить, что су­пер­по­зи­ции опи­сы­ва­ют раз­лич­ные виды ре­аль­но­сти при про­ве­де­нии раз­лич­ных из­ме­ре­ний. Ре­аль­ность объ­ек­та за­ви­сит от его вза­и­мо­дей­ствия с окру­жа­ю­щей сре­дой.

«Наши ре­зуль­та­ты по­ка­зы­ва­ют, что фи­зи­че­ская ре­аль­ность объ­ек­та не может быть от­де­ле­на от кон­тек­ста всех его вза­и­мо­дей­ствий с окру­жа­ю­щей сре­дой, в про­шлом, на­сто­я­щем и бу­ду­щем, что яв­ля­ет­ся убе­ди­тель­ным до­ка­за­тель­ством про­тив ши­ро­ко рас­про­стра­нен­но­го мне­ния о том, что наш мир может быть све­ден к про­стой кон­фи­гу­ра­ции ма­те­ри­аль­ных стро­и­тель­ных бло­ков», — ска­зал Хофманн.

Со­глас­но кван­то­вой тео­рии, сме­ще­ние из­ме­ри­те­ля (счёт­чи­ка), пред­став­ля­ю­щее собой зна­че­ние фи­зи­че­ско­го свой­ства, на­блю­да­е­мое при из­ме­ре­нии, за­ви­сит от ди­на­ми­ки си­сте­мы, вы­зван­ной флук­ту­а­ци­я­ми об­рат­но­го дей­ствия, с по­мо­щью ко­то­ро­го из­ме­ри­тель (счёт­чик) воз­му­ща­ет (на­ру­ша­ет) со­сто­я­ние си­сте­мы. 

Кван­то­вые су­пер­по­зи­ции между раз­лич­ны­ми воз­мож­ны­ми ва­ри­ан­та­ми ди­на­ми­ки си­сте­мы фор­ми­ру­ют от­клик из­ме­ри­те­ля и при­пи­сы­ва­ют ему опре­де­лен­ные зна­че­ния.

Далее ав­то­ры по­яс­ни­ли, что флук­ту­а­ции ди­на­ми­ки си­сте­мы за­ви­сят от силы из­ме­ри­тель­но­го вза­и­мо­дей­ствия. В пре­де­ле сла­бых вза­и­мо­дей­ствий флук­ту­а­ции ди­на­ми­ки си­сте­мы пре­не­бре­жи­мо малы, и сме­ще­ние из­ме­ри­те­ля может быть опре­де­ле­но из урав­не­ния Гамильтона-​Якоби — клас­си­че­ско­го диф­фе­рен­ци­аль­но­го урав­не­ния, вы­ра­жа­ю­ще­го связь между фи­зи­че­ским свой­ством и свя­зан­ной с ним ди­на­ми­кой.

При более силь­ном из­ме­ри­тель­ном вза­и­мо­дей­ствии на­блю­да­ют­ся слож­ные эф­фек­ты кван­то­вой ин­тер­фе­рен­ции между раз­лич­ны­ми ди­на­ми­ка­ми си­сте­мы. Пол­но­стью раз­ре­шен­ные из­ме­ре­ния тре­бу­ют пол­ной ран­до­ми­за­ции ди­на­ми­ки си­сте­мы. Это со­от­вет­ству­ет су­пер­по­зи­ции всех воз­мож­ных ва­ри­ан­тов ди­на­ми­ки си­сте­мы, при ко­то­рой эф­фек­ты кван­то­вой ин­тер­фе­рен­ции вы­би­ра­ют толь­ко те ком­по­нен­ты кван­то­во­го про­цес­са, ко­то­рые со­от­вет­ству­ют соб­ствен­ным зна­че­ни­ям фи­зи­че­ско­го свой­ства.

Соб­ствен­ные зна­че­ния — это зна­че­ния, ко­то­рые учеб­ная кван­то­вая ме­ха­ни­ка при­сва­и­ва­ет ре­зуль­та­там из­ме­ре­ний: точ­ные но­ме­ра фо­то­нов, спин вверх или спин вниз и т.д. Как по­ка­зы­ва­ют новые ре­зуль­та­ты, эти зна­че­ния яв­ля­ют­ся след­стви­ем пол­ной ран­до­ми­за­ции ди­на­ми­ки. В тех слу­ча­ях, когда ди­на­ми­ка си­сте­мы не пол­но­стью ран­до­ми­зи­ро­ва­на из­ме­ре­ни­ем, необ­хо­ди­мо рас­смат­ри­вать дру­гие зна­че­ния.

По­след­ствия для по­ни­ма­ния кван­то­вых из­ме­ре­ний

Ин­те­рес­но, что это на­блю­де­ние поз­во­ля­ет по-​новому взгля­нуть на ис­поль­зо­ва­ние ре­зуль­та­тов из­ме­ре­ний в опи­са­нии ре­аль­но­сти. При­ня­то счи­тать, что ло­ка­ли­зо­ван­ные ча­сти­цы или це­ло­чис­лен­ные зна­че­ния спина яв­ля­ют­ся неза­ви­си­мы­ми от из­ме­ре­ний эле­мен­та­ми ре­аль­но­сти, од­на­ко ре­зуль­та­ты дан­но­го ис­сле­до­ва­ния поз­во­ля­ют пред­по­ло­жить, что эти ве­ли­чи­ны воз­ни­ка­ют толь­ко в ре­зуль­та­те кван­то­вых помех при до­ста­точ­но силь­ных из­ме­ре­ни­ях. Воз­мож­но, наше по­ни­ма­ние смыс­ла экс­пе­ри­мен­таль­ных дан­ных нуж­да­ет­ся в фун­да­мен­таль­ном пе­ре­смот­ре.

Хофманн и его со­труд­ни­ки на­де­ют­ся на даль­ней­шее про­яс­не­ние про­ти­во­ре­чи­вых ре­зуль­та­тов, на­блю­да­е­мых во мно­гих кван­то­вых экс­пе­ри­мен­тах.

«Контекстно-​зависимые ре­аль­но­сти могут объ­яс­нить ши­ро­кий спектр ка­жу­щих­ся па­ра­док­саль­ны­ми кван­то­вых эф­фек­тов. Сей­час мы ра­бо­та­ем над более точ­ным объ­яс­не­ни­ем этих яв­ле­ний. В ко­неч­ном счете, цель со­сто­ит в том, чтобы вы­ра­бо­тать более ин­ту­и­тив­ное по­ни­ма­ние фун­да­мен­таль­ных кон­цеп­ций кван­то­вой ме­ха­ни­ки, поз­во­ля­ю­щее из­бе­жать недо­ра­зу­ме­ний, вы­зван­ных на­ив­ной верой в ре­аль­ность мик­ро­ско­пи­че­ских объ­ек­тов», — ска­зал Хофманн.

Ссыл­ка на ис­сле­до­ва­ние: «За­ви­си­мость ре­зуль­та­тов из­ме­ре­ний от ди­на­ми­ки кван­то­вых ко­ге­рент­ных вза­и­мо­дей­ствий между си­сте­мой и из­ме­ри­те­лем» То­мо­но­ри Ма­цу­си­та и Холь­гер Ф. Хофманн, 31 июля 2023 г., Physical Review Research.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

Ис­сле­до­ва­ние фи­нан­си­ро­ва­лось Япон­ским агент­ством по науке и тех­но­ло­ги­ям.


Пер­во­ис­точ­ник: scitechdaily.com

Ис­точ­ник пе­ре­во­да: newsstreet.ru