Парадоксът на квантовия гълъбарник

Почти цял век професорите по физика разказват на студентите си за парадокса на котката на Шрьодингер, който идеално илюстрира необичайните явления в квантовата механика.

Сега международен екип учени начело с Джеф Толаксен са измислили нов интересен мисловен експеримент, с който искат да демонстрират и други квантови ефекти.

Новият парадокс се нарича ефект на квантовия гълъбарник (quantum-pigeonhole effect). Всичко започва с наблюдение, когато поставяте три гълъба в две клетки – в едната от тях накрая се озовават два гълъба. Но според анализа на квантовата природа нито един от гълъбите не е способен да раздели една клетка със свой събрат.

„Това е едно от тези явления, които на пръв поглед изглеждат невероятни. Но това е и пряко следствие от квантовата механика“, пояснява Толаксен, водещ автор на новото изследване.

В класическата физика, ако знаете началното състояние на някои системи, то по принцип разполагате с достатъчно количество информация за определяне на крайното състояние на системата. Но през 1964 г. Якир Ааронов от университета Чапман и Телавивския университет открил, че в квантовата механика началното и крайното състояние на системата може да са напълно независими едно от друго.

Толаксен и Ааронов описали съвместно това квантовомеханично свойство чрез мисловен експеримент с квантов гълъбарник. Те смятат, че този ефект ще възниква, когато наблюдателят извършва последователност от измервания, опитвайки се да постави три „гълъба“ в две „клетки“.

„Отначало вие извършвате първоначалното измерване на местоположението на всички частици. След това изпълнявате междинно измерване, за да видите вместват ли се две частици в една кутийка. И накрая измервате крайната локация на частиците. При това първоначалното и крайното измерване може да са напълно независими едно от друго. А в средата на експеримента можете да направите това, което се нарича слабо измерване, за изучаване на всички частици едновременно. И когато го направите, то се получава, че в нито една клетка няма два гълъба“, разказва Толаксен.

Изводите от този експеримент допълват известния парадокс на Айнщайн–Подолски–Розен. В рамките на този сценарий две частици, които стартират от едно място, могат да се намират в състояние на квантово заплитане. Тогава измерването на състоянието на първата частица ще повлияе на състоянието на втората, дори ако те са разделени от огромно разстояние.

„Парадоксът на Айнщайн–Подолски–Розен се явява едно от най-важните фундаментални открития в науката. Но това е само половината от цялата увлекателност на историята. Принципът на квантовия гълъбарник обяснява ситуацията малко по-различно. Трите частици може да стартират отделно една от друга без квантово заплитане или други корелации. Именно експериментаторът ги събира заедно и ги кара да си взаимодействат чрез поместване на трите частици в две клетки. На междинния етап частиците се оказват максимално тясно свързани, но на крайния етап не корелират изобщо“, пояснява Толаксен.

Физиците твърдят, че тяхната концепция може да е едва ли не по-значима за науката, отколкото парадокса на Айнщайн–Подолски–Розен. За проверка на своите изводи Толаксен и колегите му предлагат да се проведе прост експеримент, в който три електрона ще пътешестват през интерферометър. По същина това е разделител на лъча, който създава два отделни пътя за електроните, които след това се срещат отново. А тъй като съществуват само два възможни пътя, може да се очаква, че в крайна сметка два от три електрона споделят един от тези пътища.

Ако това е така, то двете частици ще се намират много близо една до друга и ще си взаимодействат: техните идентични електрични заряди ще се отблъскват, като леко отклоняват траектории. Физиците могат да открият тези отклонения, когато всичките три електрона се съединят след обединението на пътищата. Но Толаксен твърди, че съдейки по изчисленията, това няма да се случи и два електрона няма да тръгнат по един път.

Учените са убедени, че парадоксът скоро ще бъде доказан експериментално. А теоретичното му описание вече е изложено в статия в ArXiv.org.