[Перевод] Квантовый дарвинизм: идея, объясняющая объективную реальность, прошла первые испытания
Три эксперимента подтвердили квантовый дарвинизм — теорию, объясняющую, как квантовые вероятности могут порождать объективную классическую реальность
Неудивительно, что у квантовой физики есть репутация странной и контринтуитивной науки. Мир, в котором мы живём, не кажется нам квантово-механическим. И до XX века все предполагали, что классические законы физики, выведенные Исааком Ньютоном и другими учёными — согласно которым у объектов всегда имеются точно определённые позиции и свойства — работают на всех масштабах. Но Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, и другие их современники обнаружили, что в самом «низу», среди атомов и субатомных частиц эта конкретика исчезает, превращаясь в кашу из возможностей. Атому, к примеру, обычно нельзя приписать определённое местоположение — мы можем лишь рассчитать вероятность найти его в том или ином месте. Возникает неприятный вопрос: и как же квантовые вероятности объединяются в чёткую картину классического мира?
Иногда физики называют это превращение «квантово-классическим переходом». Но на самом деле нет причин считать, что у большого и малого действуют фундаментально различные правила, или что между ними происходит резкий скачок. В последние десятилетия исследователи очень хорошо разобрались в том, как квантовая механика неизбежно превращается в классическую посредством взаимодействия частицы или другой микроскопической системы с её окружением.
Одна из наиболее примечательных идей в этой теоретической платформе состоит в том, что определённые свойства объектов, которые мы связываем с классической физикой — допустим, местоположение и скорость — выбираются из меню квантовых возможностей в процессе, немного напоминающем естественный отбор в эволюции: выживающие свойства оказываются, в некотором смысле, наиболее «подходящими». Как и в естественном отборе, выживают те, кто сделает больше копий себя. Это значит, что несколько независимых наблюдателей могут измерить квантовую систему и согласиться по поводу результатов — что является критерием классического поведения.
Чаоян Лу и Цзянь-Вэй Пань из китайского университета науки и технологий в Хэфэе
Эта идея, получившая название «квантовый дарвинизм» (КД), хорошо объясняет то, почему мы воспринимаем окружающий мир именно так, а не тем странным образом, который проявляет себя на масштабе атомов и фундаментальных частиц. И хотя подробности загадки пока неясны, КД помогает закрыть кажущийся разрыв между квантовой и классической физиками.
И только в последнее время КД смогли проверить экспериментально. Три независимых исследовательских группы из Италии, Китая и Германии искали характерную особенность естественного отбора — многократное «отпечатывание» квантовой системы в различных контролируемых окружениях. Пока эти испытания проводятся на рудиментарном уровне, и эксперты говорят, что ещё многое предстоит сделать перед тем, как мы сможем уверенно сказать, что КД даёт нам верную картину того, как наша конкретная реальность появляется из множества вариантов, предлагаемых квантовой механикой. Но пока что теория подтверждается.
Выживание наиболее приспособленных
В основе КД лежит неоднозначная идея измерения, то есть, совершения наблюдения. В классической физике мы просто видим всё, как есть. Мы наблюдаем, как теннисный мяч проделывает 200 км за час потому, что у него такая скорость. О чём тут ещё говорить?
В квантовой физике всё не так. Совершенно неочевидно, что формальные математические процедуры говорят о «положении вещей» касательно квантового объекта. Они представляют собой некое описание, где указано, с чем мы можем столкнуться после проведения измерения. Возьмём, к примеру, тот факт, что у квантовой частицы может быть сразу несколько возможных состояний — это положение вещей называется «суперпозиция». Это не означает, что частица находится в нескольких состояниях сразу — это означает, что когда мы проведём измерение, мы увидим один из этих результатов. А до измерения различные состояния интерферируют друг с другом на манер волн, выдавая результаты с большей или меньшей вероятностью.
Но почему мы не видим квантовой суперпозиции? Почему все эти вероятности разных состояний частицы не выживают, увеличиваясь до человеческих масштабов?
Часто говорят, что суперпозиция — вещь хрупкая, её легко нарушить, когда квантовая система сталкивается с шумным окружением. Но это не совсем так. Два квантовых объекта, взаимодействуя, «запутываются» друг с другом, входя в общее квантовое состояние, в котором вероятности их свойств начинают зависеть друг от друга. Допустим, мы поместили атом в суперпозицию из двух возможных состояний его квантового свойства под названием «спин»: состояний «вверх» и «вниз». Мы выпускаем атом в воздух, где он сталкивается с молекулой воздуха и запутывается с ней. Теперь они находятся в совместной суперпозиции. Если спин атома направлен вверх, то молекулу воздуха может оттолкнуть в одну сторону, а если вниз, то в другую — и две эти возможности существуют совместно. С ростом количества столкновений с другими молекулами воздуха запутанность распространяется, и суперпозиция, когда-то относившаяся только к этому атому, становится ещё более рассеянной. Состояния атома уже не интерферируют когерентно друг с другом, поскольку теперь они запутаны с другими состояниями окружения — включая, возможно, и некий крупный измерительный инструмент. Для этого инструмента всё выглядит так, будто суперпозиция атома исчезла, и её заменило меню возможных классических состояний, которые уже не интерферируют друг с другом.
Этот процесс, в котором «квантовость» исчезает в окружении, называется декогеренцией. Это важнейшая часть квантово-классического перехода, объясняющая, почему квантовое поведение сложно увидеть в больших системах со множеством взаимодействующих частиц. Этот процесс происходит чрезвычайно быстро. Если обычной пылинке в воздухе придать квантовую суперпозицию двух разных физических местоположений, расположенных на расстоянии ширины этой пылинки друг от друга, то столкновения с молекулами воздуха приведут к декогеренции — необнаружимости суперпозиций — примерно за 10–31 с. Даже в вакууме фотоны света быстро вызовут декогеренцию: нельзя посмотреть на пылинку, не уничтожив её суперпозицию.
Удивительно, что, хотя декогеренция является прямым следствием квантовой механики, немецкий физик Хайнц-Дитер Зи обнаружил её только в 1970-х. Американский физик польского происхождения Войцех Зурек проработал эту идею в начале 1980-х и добавил ей известности, а теперь в её поддержку выступают и эксперименты.
Войцех Зурек, физик-теоретик из национальной лаборатории Лос-Аламоса
Однако для того, чтобы объяснить появление объективной, классической реальности, недостаточно просто сказать, что декогеренция устраняет всё квантовое поведение и поэтому для наблюдателя всё выглядит классическим. Несколько наблюдателей каким-то образом могут согласиться насчёт свойств квантовых систем. Зурек, работающий в национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико, считает, что из этого следует истинность двух условий.
Во-первых, у квантовых систем должны быть состояния, особенно стойкие перед лицом разрушительной декогеренции, оказываемой окружающей средой. Зурек называет их «указательными состояниями», поскольку их можно закодировать через возможные состояния указателя на циферблате измерительного инструмента. Определённое местоположение частицы, её скорость, значение квантового спина, направление поляризации — всё это можно записать, как положение указателя на измерительном инструменте. Зурек утверждает, что классическое поведение — существование хорошо определённых, стабильных, объективных свойств — возможно только благодаря существованию указательных состояний квантовых объектов.
С математической точки зрения особенность указательных состояний состоит в том, что их не нарушают взаимодействия с окружающей средой, вызывающие декогеренцию: указательное состояние либо сохраняется, либо переходит в почти идентичное состояние. Это значит, что окружение не сокрушает квантовость без разбору, но выбирает определённые состояния, уничтожая другие. К примеру, местоположение частицы устойчиво к декогеренции. Но при этом суперпозиции различных местоположений не являются указательными состояниями: взаимодействия с окружающей средой декогерируют их в локализованные указательные состояния, так, что становится возможным наблюдать только одно из них. Зурек описал этот «порождаемый окружением суперотбор» указательных состояний в 1980-х.
Но есть и второе условие, которому квантовое свойство должно подчиняться для того, чтобы его можно было наблюдать. Хотя невосприимчивость к взаимодействию с окружением гарантирует стабильность указательного состояния, мы всё же каким-то образом получаем довольно много информации о нём. А это возможно, только если она отпечатается на окружении объекта. К примеру, когда вы видите объект, эта информация попадает на вашу сетчатку благодаря рассеивающимся на нём фотонам. Они переносят эту информацию к вам в виде частичных копий определённых аспектов объекта, говорящих кое-что об его расположении, форме и цвете. Чтобы многие наблюдатели смогли согласиться с измеряемым значением, требуется много таких копий — и это является критерием классической картины мира. Таким образом, как утверждал в 2000-х Зурек, наша способность наблюдать некое свойство зависит не только от того, было ли оно выбрано в качестве указательного состояния, но и от того, насколько сильный отпечаток оставляет оно на окружении. Только те состояния, которые лучше всего справляются с созданием копий — так сказать, наиболее приспособленные из них — мы и можем наблюдать. Поэтому Зурик называет эту идею квантовым дарвинизмом.
Оказывается, что то же свойство стабильности, способствующее появлению суперотбора указательных состояний под воздействием окружающей среды, также способствует и приспособляемости согласно принципу КД, то есть, способности создавать свои копии. «Окружение через наблюдение приводит к декогеренции систем, — сказал Зурек, — и тот же процесс, который отвечает за декогеренцию, должен оставлять множество копий информации в окружении».
Информационный перегруз
Конечно же, неважно, считывается ли информация о квантовой системе, отпечатывающаяся на её окружении, наблюдателем — человеком; всё, что нужно для появления классического поведения, чтобы информации появилась там, чтобы её можно было считать в принципе. «Не обязательно, чтобы систему изучали в формальном смысле», чтобы она превратилась в классическую, сказал Джесс Ридел, физик из института теоретической физики Периметр в Ватерлоо, сторонник КД. «Предполагается, что КД объясняет, или помогает объяснить всю классическую физику, включая повседневные макроскопические объекты, существующие вне лаборатории или существовавшие задолго до появления человека».
Десять лет назад, когда Ридел был аспирантом Зурека, они теоретически показали, что информация от простой, идеализированной квантовой системы «оставляет большое количество копий на окружающей среде, — сказал Ридел, — поэтому достаточно получить доступ к небольшой части окружения, чтобы узнать значение переменных». Они подсчитали, что пылинка диаметром в 1 мкм, освещаемая солнцем в течение 1 мкс, отпечатает информацию о своём местоположении на 100 млн рассеивающихся фотонов.
Именно из-за этой избыточности и существуют объективные классические свойства. Десять наблюдателей могут измерить местоположение пылинки и обнаружить её в одном и том же месте, поскольку каждому доступна отдельная копия информации. В этом смысле мы можем назначить пылинке объективное «местоположение», не потому, что оно у неё «есть» (что бы это ни значило), а потому, что состояние её местоположения может отпечатать множество своих копий в окружающей среде, так, что разные наблюдатели придут к консенсусу.
Более того, не нужно отслеживать большую часть окружающей среды, чтобы собрать почти всю возможную информацию — и вы не получите никаких преимуществ в случае, если вы будете отслеживать больше, чем небольшой процент окружающей среды. «Информация, которую можно собрать о системе, быстро насыщается», — сказал Ридел.
Эта избыточность — отличительная черта КД, объяснил Мауро Патерностро, физик из королевского университета в Белфасте, участвовавший в одном из трёх новых экспериментов. «Это свойство характеризует переход к классической картине», — сказал он.
КД бросает вызов распространённому мифу о квантовой механике, как говорит физик-теоретик Адан Кабелло из Севильского университета в Испании, а именно: о том, что переход между квантовым и классическим миром непонятен, и что квантовая теория не может описать результаты измерений. Наоборот, говорит он, «квантовая теория идеально описывает появление классического мира».
Вопрос о том, насколько идеально, остаётся открытым. Некоторые исследователи думают, что декогеренция и КД дают полное описание квантово-классического перехода. Но, хотя эти идеи пытаются объяснить, почему на больших масштабах суперпозиция исчезает и остаются только конкретные, «классические» свойства, остаётся вопрос того, почему измерении дают уникальные результаты. Когда выбирается определённое местоположение частицы, что происходит с другими возможностями, вытекающими из её квантового описания? Были ли они реальными в каком-либо смысле? Исследователи вынуждены буквально придерживаться философских интерпретаций квантовой механики, потому что никто не может придумать, как получить ответ на этот вопрос в эксперименте.
В лабораторию
На бумаге КД выглядит довольно убедительно. И до недавнего времени это было всё, чем он мог похвастаться. Но за прошедший год три команды исследователей независимо подвергли теорию экспериментальным проверкам, изучая её главную особенность: то, как квантовые системы отпечатывают свои копии на окружающей их среде.
Эксперименты зависели от возможности подробно отслеживать то, какая именно информация о квантовой системе отпечатывается на её окружении. Это невозможно сделать в случае, к примеру, когда пылинка летает вместе с бесчисленными миллиардами молекул воздуха. Так что две команды создали квантовый объект в некоем «искусственном окружении», в котором содержалось лишь несколько частив. Оба эксперимента — один из которых проводил Патерностро с коллегами в университете Сапиенца в Риме, а другой — эксперт по квантовой информации Цзянь-Вэй Пань и его соавторы из университета наук и технологии Китая — использовали в качестве квантовой системы единственный фотон, а ещё несколько фотонов играли роль окружения, взаимодействующего с ним и рассылающего информацию о нём.
Обе команды пропускали фотоны через оптические устройства, комбинирующие их в несколько запутанных групп. Затем они изучали фотоны из окружения, чтобы узнать, какую информацию об указательном состоянии фотона системы они закодировали — в данном случае, это была поляризация (ориентация колеблющихся электромагнитных полей), одно из квантовых свойств, способных пройти через фильтр отбора КД.
Ключевое предсказание КД — эффект насыщения. Практически вся информация, которую можно собрать о квантовой системе, будет вам доступна, если вы будете отслеживать совсем небольшое количество частиц окружения. «Любой малой доли взаимодействующего окружения будет достаточно для обеспечения максимального количества классической информации, касающейся наблюдаемой системы», — сказал Пань.
Две команды обнаружили именно это. Измерения всего одного фотона из окружения раскрыли множество доступной информации о поляризации системного фотона, а измерение большей доли окружающих фотонов давало всё меньше новой информации. Даже единственный фотон может служить окружением, вызывающим декогеренцию и отбор, объяснил Пань, если он достаточно активно взаимодействует с одиноким системным фотоном. При более слабых взаимодействиях придётся отслеживать большую долю окружения.
Фёдор Железко, директор института квантовой оптики ульмского университета в Германии
Синтетический алмаз
Третья экспериментальная проверка КД под руководством физика, специализирующегося на квантовой оптике, Фёдора Железко из института квантовой оптики ульмского университета в Германии, в которой участвовали Зурек и другие, использовала совершенно другую систему и окружение. Они состояли из одинокого атома азота, стоящего на месте атома углерода в кристаллической решётке алмаза — т.н. азото-замещённая вакансия в алмазе, или NV-центр. Поскольку в атоме азота на один электрон больше, чем в атоме углерода, лишний электрон не может найти себе пару у соседних атомов углерода и сформировать химическую связь. В итоге неспаренный электрон играет роль одинокого «спина», представляющего собой нечто вроде стрелы, указывающей вверх или вниз, или, в общем случае, находящейся в суперпозиции обоих направлений.
Спин может магнитно взаимодействовать с ядрами углерода, существующими в атоме в виде изотопа углерод-13, и составляющими около 0,3% от общего количества атомов углерода. У этих изотопов, в отличие от более распространённого углерода-12, тоже есть спин. В среднем каждый спин NV-центра сильно связывается с четырьмя спинами углерода-13 на расстоянии в 1 нм.
Управляя и отслеживая спины при помощи лазеров и радиоимпульсов, исследователи могли измерять, как изменение спина азота отзывается в изменении ядерных спинов окружения. Как писали они в препринте работы в прошлом сентябре, они также увидели характерную избыточность, предсказываемую КД: состояние спина азота «записывается» в виде множества копий в окружении, и информация, касающаяся спина, быстро насыщается при увеличении объёма рассматриваемого окружения.
Зурек говорит, что поскольку эксперименты с фотонами создают копии искусственным образом, в виде симуляции реального окружения, они не включают в себя процесс отбора, избирающего «естественные» указательные состояния, устойчивые к декогеренции. Исследователи сами назначают указательные состояния. При этом алмазное окружение реально вызывает указательные состояния. «У схемы с алмазом есть свои проблемы из-за размера окружения, — добавил Зурек, —, но оно, по крайней мере, естественное».
Обобщение квантового дарвинизма
Пока что КД держится. «Все эти исследования обнаружили то, что ожидалось, по крайней мере, приблизительно», — сказал Зурек.
Ридел говорит, что вряд ли можно было ожидать обратного: по его мнению, КД — это просто тщательное и систематическое применение стандартной квантовой механики к взаимодействию квантовой системы с окружением. И хотя на практике большинство квантовых измерений провести практически невозможно, если достаточно сильно упростить измерения, то прогнозы будут ясны, сказал он: «КД похожа на внутреннюю проверку квантовой теории на непротиворечивость».
Но хотя эти исследования, на первый взгляд, согласуются с КД, их нельзя считать доказательством того, что эта теория является единственно верным описанием процесса возникновения классического мира, или даже того, что она полностью корректна. Для начала, говорит Кабелло, три эксперимента дают только схематические версии того, из чего состоит реальное окружение. Более того, эксперименты не исключают других способов появления классической картины мира. Теория «распространения спектра» [spectrum broadcasting], разработанная Павлом Городецким и его коллегами из гданьского технологического университета в Польше, к примеру, пытается обобщить КД. Теория распространения спектра (которую пока проработали для нескольких идеализированных случаев) касается состояний запутанной квантовой системы и её окружения, выдающих объективную информацию, которую многие наблюдатели могут получить, не нарушая состояния системы. Иначе говоря, она пытается гарантировать не только то, что разные наблюдатели могут получать доступ к копиям системы в окружении, но и то, что в процессе доступа они не влияют на другие копии. Это тоже является свойством по-настоящему «классических» измерений.
Городецкий и другие теоретики также пытаются включить КД в теоретическую платформу, не требующую произвольного разделения мира на систему и её окружение, а просто рассматривающую то, как классическая реальность появляется из взаимодействий различных квантовых систем. Патерностро говорит, что задача обнаружения экспериментальных методов, способных определить очень тонкие различия между предсказаниями этих теорий, может оказаться трудной.
И всё же исследователи не оставляют попыток, и они сами по себе должны улучшить наши возможности изучения принципов работы квантового мира. «Лучший аргумент в пользу проведения этих экспериментов, вероятно, состоит в том, что это хорошее упражнение, — сказал Ридел. — Прямая демонстрация КД может потребовать проведения очень сложных измерений, расширяющих границы возможностей существующих сегодня лабораторных технологий». Единственный способ понять, что означают наши измерения, судя по всему — это проводить измерения лучшего качества.
