5 августа 2011 г.

Квантовые штучки

Вчера просматривал журналы и обратил внимание сразу на несколько статей, касающиеся разных аспектов квантовой механики. Не претендуя на какое-то глубокое понимание этих работ, просто перечислю, что мне в них показалось любопытным.

«Двухцветный» фотон

В статье E.Zakka-Bajjani et al, Quantum superposition of a single microwave photon in two different ’colour’ states, Nature Physics 7, 599–603 (2011), сообщается о том, что научились излучать фотоны в состоянии суперпозиции разных энергий (т.е. двух «цветов»). Не два фотона с разной энергией, пусть даже и квантово-запутанные, а один фотон в состоянии суперпозиции.

Вообще, забавно. В стандартном курсе квантовой механики такие состояния, не являющиеся собственными состояниями гамильтониана, изучаются рутинно для этакой абстрактной квантовой частицы. Электрон в состоянии суперпозиции, находящийся одновременно на двух разных уровнях энергии, тоже худо-бедно представить можно. А вот фотон в суперпозиции двух разных частот уже визуализировать труднее. Слишком засела в голову картинка, что фотон — просто волна.

Про расширение и происхождение квантовой механики

R.Colbeck, R.Renner, No extension of quantum theory can have improved predictive power, Nature Communications 2, 411 (2011); статья в открытом доступе.

Статья на тему оснований квантовой механики, в которой делается довольно сильное заявление.

Квантовая механика говорит, что если у нас есть абсолютно четко заданная квантовая система и мы измеряем какую-то величину, мы можем получить разные значения. Квантовая механика позволяет лишь вычислить вероятности того, что в результате измерения будет получено то или иное значение; какой именно результат будет получен в каждом конкретном измерении, предсказать нельзя. Такое отсутствие детерминизма (а также расплывчатость понятия измерения) беспокоит людей, и поэтому делаются попытки вложить квантовую механику в какую-то более хитрую теорию, в которой детерминизм восстанавливается. Ну или если не полностью восстанавливается, то хотя бы позволяет (в принципе!) предсказать чуть больше про результаты измерения, чем обычная квантовая механика.

Так вот, в этой статье утверждается, что никакой более «прозорливой» теории существовать не может. Доказательство идет в виде математических теорем и базируется на двух основных предположениях: квантовая механика верна (а не приближенно верна) и при измерении величин у нас есть полная свобода выбора, что измерять. Самое поразительное, что такие вещи люди доказывают, даже не прибегая к каким-то конкретным построениям этой более прозорливой теории. Они даже не делают никаких предпроложений относительно того, какого типа информацию может эта новая теория давать.

Кстати, насчет того, откуда вообще можно вывести квантовую механику: вот в этой недавней статье (Informational derivation of Quantum Theory, см. также полупопулярный пересказ в журнале Physics) квантовую механику выводят из общих законов манипулирования информацией. Звучит круто, но непонятно :)

Квантовые вычисления

X. Zhou et al, Adding control to arbitrary unknown quantum operations, Nature Communications 2, 413 (2011); статья тоже в открытом доступе.

Про квантовые вычисления расписывать много не буду; это перспективная штука и люди давно пытаются ее реализовать на практике. Среди разнообразных трудностей есть и такая. Во многих алгоритмах квантовых вычислений требуется использовать операции, управляемые извне (т.е. внешний контрольный кубит говорит, запускать эту операцию или нет). Обычно оказывается, что встраивать эти контрольные кубиты очень сложно, поскольку это встраивание зависит от самой операции.

А в этой статье предлагается некий универсальный способ встраивать контрольные кубиты, даже если квантовая операция совершенно неизвестна. Авторы обещают прогресс и прорыв.

40 комментариев:

  1. На той неделе писал в своём блоге об ещё одной недавней статье на тему квантовой механики: В квантовом мире разоблачить невежество сложнее, чем в классическом

    ОтветитьУдалить
  2. а разве второе не было доказано в связи с неравенством Белла - а именно, принципиальное отсутствие "скрытых" параметров? То есть, что наука в принципе никогда не "продвинется", чтобы предсказать, например, точный момент распада атома.

    ОтветитьУдалить
  3. Скрытые параметры — это полный детерминизм, а тут изучалась возможность получения хоть какой-то информации о результате будущего измерения, чуть больше чем то, что дает квантовая механика. И это тоже нельзя.

    ОтветитьУдалить
  4. Интересно, а можно ли сделать лазер на двуцветных фотонах?:)

    ОтветитьУдалить
  5. Анонимный5/8/11 20:49

    "Скрытые параметры — это полный детерминизм, а тут изучалась возможность получения хоть какой-то информации о результате будущего измерения, чуть больше чем то, что дает квантовая механика. И это тоже нельзя"
    интересно, как долго люди не могут с этим смириться, может быть, ещё что-то не открыто или недоговорено

    ОтветитьУдалить
  6. Интересно, а разве детерминистская теория Дэвида Бома не есть именно такое расширение квантовой механики, до сих пор не опровергнутое?

    ОтветитьУдалить
  7. Анонимный6/8/11 09:01

    To Artem Korzhimanov:
    там вроде как наоборот -
    > we provide an explicit example where a large ignorance about the whole can coexist with an almost perfect knowledge of each of its parts

    Т.е. полное знание деталей чего-то там сосуществует с большими пробелами в знании целого...

    ОтветитьУдалить
  8. Я подобный вопрос обсуждал недавно В Контакте, чёткого ответа пока что никто не дал, я цитировал книгу Ли Смолина "Трабла с физикой...":

    "[147] Здесь приводится часть письма от национального научного фонда в адрес физика Университета Нотр Дам Джеймса Кашинга в 1995 с отклонением его просьбы поддержать его работу по основаниям квантовой теории:

    «Предмет рассмотрения, соревнование Копенгагенской и причинной (Бом) интерпретаций квантовой теории, обсуждался долгие годы и, по мнению нескольких членов Физического отдела Национального научного фонда, ситуация урегулирована. Причинная интерпретация не согласуется с экспериментами, которые проверяли неравенства Белла. Следовательно, ... фондирование ... исследовательской программы в этой области было бы неразумным.

    Поразительной вещью по поводу этого письма является то, что оно содержит элементарную ошибку, которая к тому времени была хорошо понята экспертами, что причинная интерпретация полностью согласуется с экспериментами по проверке неравенств Белла. Между прочим, Кашинг был успешным физиком в области элементарных частиц, прежде чем переключил свои интересы на основания квантовой теории, но это не удержало Национальный научный фонд от прекращения его финансирования.»"

    ОтветитьУдалить
  9. Интересно, какова энергия и импульс двухцветного фотона? Тоже суперпозиция? А как будет происходить дисперсия света из двухцветных фотонов?

    ОтветитьУдалить
  10. Анонимный6/8/11 13:03

    Всё же, ув. Игорь, хоть єтот вопрос странно звучи, как бы Вы сказали - запрет получать какую-то ещё информацию о квантовых процессах - этот запрет можно считать законом физики или следует говорить как-то иначе?

    ОтветитьУдалить
  11. Анонимный6/8/11 21:07

    "Интересно, какова энергия и импульс двухцветного фотона? Тоже суперпозиция? А как будет происходить дисперсия света из двухцветных фотонов?"
    скоро мы все обнаружим себя в матрице, когда была открыта квантовая механика, самые прозорливые учёные сказали, что "материя исчезла", не всем было понятно, о чём речь, а вот "фотон с двумя разными импульсами" - это что?

    ОтветитьУдалить
  12. Нашёл вроде бы неплохое описание интерпретации Бома:
    http://evgenyvinnik.livejournal.com/14368.html

    Сам он её называл причинной, а позднее онтологической.
    Позднее Бом расширил рамки своей теории, включив детерминистскую и стохастическую версии.
    Интерпретация Дэвида Бома является примером теории со скрытыми переменными.
    Теорема Белла показала, что не существует локальной причинной теории скрытых переменных, совместимой с квантовой механикой, поэтому интерпретация Дэвида Бома является причинной, но не локальной.

    Теперь бы разобраться, как нелокальная теория может быть при этом причинной. :-)

    ОтветитьУдалить
  13. Кажется, я понял: импульс тоже будет в суперпозиции, а при дисперсии луча из таких фотонов получится два луча. :-)

    ОтветитьУдалить
  14. Давиду Мзареуляну: в оптике, очень сомневаюсь. Надо ведь накачивать среду, чтоб она была готова испускать такие фотоны. Т.е. надо, чтоб электроны в атомах держались не на каком-то определенном уровне, а в суперпозиции. А вот в микроволновом диапазоне, как тут, ничего пока не могу сказать. Кажется, что это как минимум трудно.

    to marmotl: я осторожно скажу, что, насколько я понимаю, теория Бома — это только интерпретация КМ, раз ее предсказания полностью совпадают с предсказаниями КМ. Там есть нелокальные скрытые параметры, но они не дают дополнительную информацию о том, к чему приведет результат измерения данной величины в данном состоянии.

    Денису Румянцеву:
    > Кажется, я понял: импульс тоже будет в суперпозиции, ...

    Да.

    > ...а при дисперсии луча из таких фотонов получится два луча.

    Можно и так сказать, но надо помнить, что каждый фотон будет не выбирать какой-то один луч, а сразу идти по двум лучам.

    ОтветитьУдалить
  15. "Можно и так сказать, но надо помнить, что каждый фотон будет не выбирать какой-то один луч, а сразу идти по двум лучам".

    Лучи ведь можно увидеть, при преломлении коллапса не будет?

    А фотон в состоянии суперпозиции разных углов поляризации "-" и "|" одновременно пройдёт и не пройдёт через поляроид?

    ОтветитьУдалить
  16. Коллапс будет не при преломлении, а при попытке наблюдать лучи. Если ваша среда такая, что свет рассеивается на неоднородностях, то суперпозиция распадется. Или если лучи идут в разные стороны и там стоят два разных детектора — тогда при срабатывании детектора суперпозиция разрушится.

    Да, одновременно пройдет и не пройдет. И как только вы попробуете измерить, прошел он всё-таки или не прошел, когерентность разрушится.

    Вообще, это основа квантовой картины. Просто когда речь идти про эксперимент с двумя щелями, это почему-то кажется более привычным, а вот в такой постановке вопроса — непривычно.

    ОтветитьУдалить
  17. Анонимный11/8/11 10:56

    "Коллапс будет не при преломлении, а при попытке наблюдать лучи. Если ваша среда такая, что свет рассеивается на неоднородностях, то суперпозиция распадется. Или если лучи идут в разные стороны и там стоят два разных детектора — тогда при срабатывании детектора суперпозиция разрушится.

    Да, одновременно пройдет и не пройдет. И как только вы попробуете измерить, прошел он всё-таки или не прошел, когерентность разрушится."

    Дак ведь это два человека будет а не пластинка, не существует человека, регистрирующего дифракционную картинку, получится, что если один увидит фотон (условно), то другой не увидит, и наоборот, это хуже парадокса ЭРП

    ОтветитьУдалить
  18. Анонимный11/8/11 17:05

    Мне вот интересно как вобще будет работать квантовый компьютер. Тоесть чисто в информационном смысле.

    ОтветитьУдалить
  19. В эксперименте с двумя щелями частица-волна интерферирует сама с собой, пока она не сколлапсировала. Если она сколлапсирует во время прохода через щель, то интерференции нет. А тут как проявляется суперпозиция состояний?

    ОтветитьУдалить
  20. Скажу честно, не очень понял в чем "фишка" двуцветных фотонов в плане их взаимодействия с веществом. Можно ли сказать, что просто излучается фотон, имеющий значительную неопределённость по энергии и два острых пика на графике отражающем вероятность пребывания фотона в состоянии той или иной энергии?

    Тем более не понятно про лазер на таких фоотнах и чем такой лазер интересен. Если таких фотонов будет много, так что будет лазер, то будет сумма двух монохроматических волн, одна на одной частоте, вторая на другой частоте, так что итог будет просто сумма двух лазерных лучей, каждый из которых своего цвета. Т.е. от квантов-фотонов переходим к свету-потоку энегнии где фотонов неопределённо много, и ничего интересного. Или не так?

    ОтветитьУдалить
  21. Вот еще, нашел один уникальнейший эксперимент, суть его заключалась в том, что свет проходил не через 2 щели, а через 3! Точнее щели закрывали поочерди, всего 6 комбинаций (как показано ниже)
    OXX
    XOX
    XXO
    OOX
    XOO
    OXO
    О - открыто
    Х - закрыто
    ,затем результат суммировали, и сравнивали с полностью открытыми 3-мя щелями (ООО), так вот оказалось что результаты одинаковы!!! Это означает что фотон может одновременно пройти только через 2щели или 1, а не через 3. Поэтому можно сделать вывод что фотон имеет только 2 цвета(волны), а не 3 и более.
    http://science.compulenta.ru/549345/

    ОтветитьУдалить
  22. to DRG: я про этот «уникальнейший эксперимент» уже писал: Неверная интерпретация одного эксперимента.

    ОтветитьУдалить
  23. Да, а ваш вывод в конце комментария, конечно, ошибочный.

    ОтветитьУдалить
  24. Igor, не нравится то что утверждается что они интерферируют только по двум путям? Хорошо, перефразирую: для трехщелевого опыта фотонам достаточно поочередно интерферировать по двум путям чтобы в сумме получить туже картину что и по трем путям сразу. Так пойдет? Если да - то это одно и тоже.

    ОтветитьУдалить
  25. Так пойдет, и это совершенно не то же, что было сказанно вами выше. Вы прочитайте мой пост.

    ОтветитьУдалить
  26. Анонимный12/8/11 22:58

    Так пойдет, и это совершенно не то же, что было сказанно вами выше.

    Скажем короче: (или длиннее)
    волны на воде, через сколько бы источников они не излучались, можно предсказать простым "сложением" результатов, что и вполне очевидно. Авторы эксперимента ждали, что, поскольку волна, которую представляет собой элементарная частица, это не совсем такая волна, как на воде, то, может быть, тут присутствуют некоторые другие эффекты. Но не дождались. Вопрос только в том, почему ожидалось, что эффект мог бы быть другим. Видимо, "распределение плотности вероятности" и "движение вещества" по мнению авторов не одно и то же?

    ОтветитьУдалить
  27. Анонимный13/8/11 20:44

    Собственно, можно было смириться с тем, что волна так-вот описывается математически, смотреть, какие результаты должны дать маематические выкладки; если математика волны-частицы не отличается от математики волны-на-воде, то откуда берётся идея о различии

    ОтветитьУдалить
  28. А кто вообще сказал, что интерференционная картина по трём щелям есть СУММА картин по щелям попарно? Кто-то написал, а вы повторяете. Фраза в такой формулировке намекает, что снимая щели попарно на одну фотопластинку, можно получить итоговый снимок, равноценный тому, что было бы если открыть сразу все три щели. Но это не так.

    Это не сумма, а некоторая комбинация с учетом знаков, включающая в итог то, что идёт и от отдельных щелей. Т.е. интерференция по трём щелям может рассматриваться как результат интерференции по двум щелям с тем, что идёт от щели 3. Но это же очевидно. Но это не сумма освещённостей, как можно подумать. Это лишь возможность восстановить одну картину (три щели), имея 6 других снимков (щели попарно и поштучно), причем разные снимки идут с разным знаком.

    И вообще. Если идеально точно получить хотя бы какой-то один снимок (бесконечный объём набранной статистики, статистика без шума), и есть идеально точное представление об искажениях волнового фронта на объективе (любом количестве щелей), то разве нельзя просто преобразованием Фурье восстановить изображение идеально точно, т.е. численным фильтром убрать дифракционные помехи? А уж идеальное изображение дальше можно пресчитать опять на что угодно - учитывая любые искажения. Получается, что идеальное изображение, полученное через одну щель, несёт столько же информации, как и изображение через 3 щели. Вывод что свет вообще не интерферирует? ;)

    ОтветитьУдалить
  29. Анонимный15/8/11 12:13

    Мне вот интересно как вобще будет работать квантовый компьютер. Тоесть чисто в информационном смысле.

    Интересно, что я вот вчера написал пост, но он куда-то пропал

    Квантовые вычисления можно обьяснить очень кратко
    1. Суперпозиция – для формул это означает (грубо) что одна формула есть частью второй формулы и вторая формула не может быть вычислена без первой
    2. сложная задача – это задача, решение которой искать очень долго, скажем – задача взаимодействия (столкновения) тел может быть сложной. Можно проводить приближенные вычисления и использовать сложные методики. Но, если у нас просто есть эти тела, то можно просто столкнуть их и посмотреть результат.
    3. Взаимодействие макротел отобразает … только логику взаимодействия макротел, т.е. поставив эксперимент с столкновением тел, мы узнаем в общем случае только о столкновевнии тех тел. А вот логику взаимодействия квантовых объектов можно отобразить на логику математических вычислений, т.е. заставив взаимодействовать квантовые составляющие, можно получить вычисления.
    4. Поскольку квантовые обьекты могут находиться в суперпозиции состояний, возможно не последовательное, а одновременное «осуществление» такой логики квантовых взаимодействий. которая оттображается на логику математики (короче не скажешь) – вместо вычислений можно поставить эксперимент и получить … результат вычислений

    ну как?

    ОтветитьУдалить
  30. Анонимный15/8/11 20:14

    А кто вообще сказал, что интерференционная картина по трём щелям есть СУММА картин по щелям попарно?

    Там слово "сложение" взято в кавычки, зря на клавиатуру никто не нажимает, тем более дважды

    ОтветитьУдалить
  31. "Тем более не понятно про лазер на таких фоотнах и чем такой лазер интересен. Если таких фотонов будет много, так что будет лазер, то будет сумма двух монохроматических волн, одна на одной частоте, вторая на другой частоте, так что итог будет просто сумма двух лазерных лучей, каждый из которых своего цвета. Т.е. от квантов-фотонов переходим к свету-потоку энегнии где фотонов неопределённо много, и ничего интересного. Или не так?"

    Если правильно понимаю, то если все фотоны в лазерном пучке будут сцеплены, то суммы не будет — они все одинаково сколлапсируют либо к одному цвету, либо к другому.
    Но вот как тогда быть с общей энергией пучка?..

    ОтветитьУдалить
  32. Анонимный21/8/11 19:46

    Игорь, вы можете как-то прокомментировать http://www.newscientist.com/article/dn19513-countdown-to-oblivion-why-time-itself-could-end.html
    Спасибо. Сергей Китаев.

    ОтветитьУдалить
  33. Анонимный22/8/11 21:50

    Не кажется ли нам, что главная новость вот
    http://arxiv.org/abs/1108.2203
    Кто-нибудь понимает, как пространственная координата может играть роль временнОй?
    причём, кажется, это квантовое явление (сверхпроводимость ведь), но наблюдается на уровне "метаматериала" - в макромасштабах

    ОтветитьУдалить
  34. У меня вопрос про "двухцветный" фотон. Он, проходя через призму, будет расщепляться на два "одноцветных"?

    ОтветитьУдалить
  35. Нет, он не будет расщепляться на два фотона. Это будет по-прежнему один фотон, находящийся в суперпозиции двух цветов, которые к тому же идут разными путями. Это не более удивительно, чем один фотон, проходящий сразу через обе щели в типичной дифракции на двух щелях.

    ОтветитьУдалить
  36. > Денису Румянцеву
    > Если правильно понимаю, то если
    > все фотоны в лазерном пучке будут
    > сцеплены, то суммы не будет —
    > они все одинаково сколлапсируют
    > либо к одному цвету, либо к
    > другому.

    Пожалуй вы правы. Фотон, излучаемый в результате вынужденного излучения, будет вынужден коллапсировать на ту же длину волны, что и первый фотон.

    Тем не менее, подумав про эту задачу, я окончательно пришел к выводу: все фотоны излучаемые газоразрядными лампами не то что двуцветные, так вообще многоцветные. Излучаются фотоны скорее всего атомами. И есть некий переход, который может происходить на разные уровни. Обычное дело. Точно также лазер на такой среде будет самым обычным лазером, который сразу "коллапсирует" на одну длину волны и излучает на ней. Коллапсирует скорее всего довольно предсказуемо, каждый раз одинаково. Т.е. повторю, будет всё очень обыденно.

    Про закон сохранения энергии. Энергия фотон+атом будет всегда постоянной. Т.е. чем "жирнее" излучен фотон, тем ниже энергетический уровень атома. В случае же лазера, это вопрос его КПД, сколько энергии уйдёт в лазерный свет, сколько в бесполезный нагрев его среды.

    Хотя я очень далеко не лазерщик, могу путать.

    ОтветитьУдалить
  37. Есть довольно интересная задача про лазеры и фотоны, которая обсуждалась в SU.ASTRONOMY в далёкие годы, когда было ФИДО.

    Задача такая: есть спутник, который сигналит лазером (для романтики вопроса - с далёких звёзд), давая вспышку света там где 1 и темноту где 0, есть телескоп, в который следим за спутником, и который принимает в среднем по 0.01 фотона на бит. И этот свет усиливаем лазером, раз в 1000. Вопрос в том, как будет выглядеть свет, выходящий из системы телескоп+усилитель? Будут отдельные вспышки по 1000 фотонов, но с потерей битов, или стабильно выход по 10 фотонов?

    Говоря другими словами, фотон сначала должен "сколлапсировать" по координате внутри телескопа, или он сначала может размножиться?

    Полагаю, ответ на этот вопрос также проясняет вопрос и про то, как усиливаются двуцветные фотоны в лазере - будет ли двуцветный фотон усиливаться по частям одновременно на каждом цвете по отдельности.

    ОтветитьУдалить
  38. Не понял я про "0.01 фотона на бит". Фотон либо приходит, либо нет. Если послано подряд сто фотонов в качестве ста "единичек", то каждая единичка либо дошла, либо потерялась. Если трактовать 0.01 фотона как то, что 99% сигналов теряется, то из посланных ста фотонов будет принят один. Он и будет усилен до 1000. Остальные биты пропадут (и, соответственно, будут прочитаны как нули, что сводит целесообразность подобного обмена информацией к нулю). По-моему так...

    ОтветитьУдалить
  39. мне попала статья о двухцветных фотонах http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.223601# - результаты вроде бы очень похожи на ту статью, которую вы в этом посте упоминаете, но из свежей статьи даже нет референса на ту, 2011 года. Методы разные, а в чем принципиальная разница результата между ними?

    ОтветитьУдалить