16 ИюлГравитация способна вызывать декогеренцию больших квантовых систем


Дата: 16.07.2015

Пeрвaя — этo пoнять, кудa прoпaдaeт вoзмoжнoсть интeрфeрeнции крупнoгo oбъeктa с сaмим сoбoй. Oднaкo для oбъeктoв пoбoльшe, рaзмeрoм пoрядкa микрoнa, этo пoкa oстaeтся слoжнeйшeй тexничeскoй зaдaчeй. Xoтя этoт мexaнизм нe oтнoсится к oкружaющим нaс oбъeктaм, oн вскрывaeт нoвыe пoдрoбнoсти пeрexoдa oт квaнтoвoгo oписaния бoльшиx систeм к клaссичeскoму. Eсли квaнтoвый oбъeкт мoжeт нaxoдиться в oднoм сoстoянии и в другoм сoстoянии, то он также может находиться и в суперпозиции этих состояний: и в том, и в другом одновременно. Вторая — это объяснить, как физически происходит коллапс квантового состояния при измерении. Bootstrapping Time Dilation Decoherence) демонстрируют новые нетривиальные аспекты этих отношений. Если молекула полностью заэкранирована от внешних хаотических воздействий, то, казалось бы, никаких проблем с интерференцией быть не должно. Источник: Igor Pikovski, Magdalena Zych, Fabio Costa & Caslav Brukner. Базовый квантовый эффект, с помощью которого удобно иллюстрировать и экспериментально изучать эту проблему, — это явление суперпозиции. Рис. Задача сузилась до выявления физических механизмов декогеренции в разных ситуациях и вычисления эффекта. Однако она вскрывает важный эффект, который до этого игнорировался и который, вероятно, надо будет учитывать при попытке реализовать квантовый компьютер и, более широко, любые крупные квантовые системы с большим ожидаемым временем когерентности. В ней показано, что в квантовой системе из большого числа частиц, пусть даже полностью изолированной от внешней среды, но находящейся в поле тяжести, все равно произойдет декогеренция за счет эффекта гравитационного замедления времени. Поэтому квантовая частица с одной степенью свободы должна проколебаться 1022 раз, чтобы такой эффект можно было заметить — а это за пределами любых реальных экспериментов. Этот эффект очень существенен в сильных гравитационных полях; он стал особенно знаменитым после недавнего фильма «Интерстеллар». Относительная разность хода времени для двух систем, разнесенных в земном поле тяжести на высоту h, составляет [ x = {mg h over mc^2} = {r_g h over 2R^2},, ] где (r_g) — это гравитационный радиус Земли (около 1 см), а R — реальный радиус Земли (примерно 6400 км). Нет, поскольку в этом случае происходит активное взаимодействие с внешней средой, что очень быстро разрушает когерентность. Она устанавливает некоторый предел даже для идеально изолированных систем — ведь новый эффект берется из-за гравитации, а от нее спрятаться невозможно. Как реально обстоит дело, до сих пор неизвестно. DOI:10.1038/nphys3366. Ну и, наконец, с чисто фундаментальной точки, зрения эта работа показывает новые аспекты взаимодействия квантовой механики и гравитации, двух теорий, которые, в определенном смысле, находятся «на ножах» друг с другом. Но если бы у каждого музыканта были свои отвлекающие факторы, вызывающие непредсказуемую задержку отклика, то общее звучание напоминало бы какофонию. Когда эти две траектории пересекаются, мы молекулу переводим снова в локализованное состояние и при этом мы ожидаем увидеть интерференцию. Пусть даже внутри молекулы происходят какие-то колебания, они всё равно протекают одинаково и для верхней траектории, и для нижней. На самом деле, при сопоставлении квантового и классического есть две проблемы разного уровня фундаментальности. Переход от квантового к классическому — один из сложных нерешенных вопросов фундаментальной физики. Чтобы устранить разрушающее воздействие внешней среды, требуется максимально охладить объект и заэкранировать его от каких-либо внешних воздействий. Правда, «взаимная неприязнь» этих двух теорий относится к сильным полям и высоким энергиям, а при обычных условиях они вполне уживаются (Нейтроны в гравитационном поле Земли позволяют проверить модели темной энергии и темной материи, «Элементы», 25.04.2014). Мысленный эксперимент с котом Шрёдингера — самая известная иллюстрация этой непривычной, не имеющей повседневного аналога нефиксированности квантового состояния. Но вообще-то, он работает всегда, в том числе и в поле тяжести Земли, и более того, он учитывается в системах навигации GPS. См. также:
No, Gravity hasn’t killed Schrodinger’s cat — комментарий к этой работе в блоге Backreaction. Для макроскопического тела, в котором число степеней свободы порядка числа Авогадро, темп потери когерентности ускоряется на 12 порядков. В новой работе объясняется, что это не так. Например, атом может находиться или здесь, или там, или и здесь и там одновременно, с некоторой долей вероятности. Эффект полностью находится в ведении обычной квантовой механики на фоне классического и при том не слишком сильного гравитационного поля. Она теперь находится не в одном каком-то месте пространства, а одновременно на двух разных высотах (рис. 2), она как бы летит в поле тяжести сразу по двум траекториям. Рисунок с сайта physicsworld.com

Суть эффекта вот в чем. 2. Даже в идеально изолированной квантовой системы из многих частиц будет происходить явление декогеренции, вызванное эффектом общей теории относительности — замедлением времени в поле тяжести. И это, подчеркнем, для совершенно изолированного от внешнего воздействия тела! В журнале Nature Physics на днях опубликована теоретическая статья, вскрывающая новые аспекты взаимодействия гравитации и квантовой механики. С другой стороны, в обычной макроскопической физике этих явлений мы не наблюдаем — и, собственно, по этой причине они и кажутся нам противоестественными. А если бы оркестр при этом состоял из многих миллионов инструментов, то вместо контрастного звучания произведения мы бы просто слышали какой-то однородный гул. В вышедшей на днях в журнале Nature Physics статье обсуждается именно первая задача. Синхронность этих колебаний при расщеплении и воссоединении всей молекулы целиком теряться не должна. Задача эта непростая, но для отдельных молекул она вполне решаема. А поскольку описанные эффекты представляют фундаментальный интерес, их, разумеется, хочется проверить экспериментально. Взаимодействие с окружающей средой эту синхронность может сбить, и тогда интерференция исчезнет. Дело в том, что в гравитационном поле ход времени слегка замедляется, причем чем сильнее поле (точнее, чем глубже потенциал), тем сильнее это замедление. Сбиться она может под ударами молекул внешней среды или же, если наша квантовая система находится в вакууме, при поглощении и испускании тепловых фотонов. С ней квантовая механика, в принципе, справилась: за этот эффект отвечает явление декогеренции (про нее будет рассказано ниже). Для высоты порядка микрона получается совершенно ничтожная величина: (x sim 10^{-22}). Интерференция — контрастные чередующие полосы усиленной и ослабленной вероятности — возможна тогда, когда все квантовые степени свободы колеблются синхронно (см., например, подробный рассказ про то, как биологические молекулы это используют для фотосинтеза, в новости Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность, «Элементы», 28.07.2014). Мы эту молекулу подкидываем вверх и в какой-то момент переводим в делокализованное состояние. Поэтому, когда расщепленная молекула летит по двум разным траекториям в поле тяжести, она испытывает вдоль них слегка разный ход времени. Этого пока не сделано, однако авторы надеются, что, при разумной экстраполяции технологий манипулирования квантовыми объектами, такую проверку удастся осуществить в недалеком будущем. Молекула испытывает декогеренцию просто за счет того, что ее внутренние колебания «запутались во времени». Примерно так пропадает когерентность квантового процесса с участием многих частиц. Именно поэтому удается наблюдать интерференцию не только отдельных частиц или атомов, но и даже крупных молекул (рис. 1). По сути, получается стандартный атомный интерферометр, но только ориентированный в пространстве вертикально. Так вот, этот вывод нарушается, если учесть эффекты общей теории относительности. Эта задача выходит за рамки обычной квантовой механики; для такого объяснения либо требуется модифицировать саму теорию, либо предлагать конструкцию над квантовой механикой (то, что называется интерпретациями квантовой механики).

Обсуждение закрыто.
строителям фундамент для двухэтажного дома Здесь новости строительства