Квантовые бомбы Элицура-Вайдмана

Шестнадцатая часть введения в КМ.

Рассмотренный в предыдущем видео прибор называется интерферометр Маха-Цендера. Его можно использовать в ряде мысленных экспериментов, которые демонстрируют противоречие повседневной логики и квантовой механики.

Рассмотрим так называемый эксперимент Элицура-Вайдмана.

Предположим, что у нас имеются некие футуристические бомбы. Они настолько чувствительны, что срабатывают при попадании на них даже одного единственного фотона или любой другой элементарной частицы. Известно, что некоторые из этих бомб нерабочие. Стоит задача определить какие из бомб рабочие при этом не взорвав их. Кажется, что сделать это просто невозможно. Ведь по определению бомба взрывается при попадании на нее даже одного единственного фотона. Мы не можем даже посмотреть на нее не взорвав не то что дотронуться, разобрать и исследовать. В классическом мире так оно и есть. Однако в нашей реальной Вселенной квантовая механика позволяет это сделать.

Сделаем зеркало частью бомбы, скажем детонатором. Поместим бомбу в одно из плеч интерферометра Маха-Цендера в качестве зеркала. Если бомба нерабочая, то интерферометр будет вести себя стандартным образом, рассмотренным в предыдущем видео. После первого полупрозрачного зеркала фотон будет находится в суперпозиции, а на втором будет наблюдаться интерференция. Все фотоны при выходе из прибора будут двигаться вниз и попадать во второй фотонный детектор.

Если же бомба рабочая, то возможно несколько вариантов. Во-первых суперпозиции уже не будет. Две ветки интерферометра в этом случае не идентичны друг другу. Если фотон двигается по верхней ветке, то ничего не происходит. Если по нижней, то взрывается бомба. То есть мы можем определить по какой из веток двигался фотон просто посмотрев взорвалась бомба или нет. Получение информации о том какая из альтернатив реализовалась в действительности есть фактически измерение. Это необычное измерение приводит к коллапсу суперпозиции в один из базисных векторов и разрушает интерференцию.

Предположим что фотон отразился на первом полупрозрачном зеркале и движется по верхней ветке. Тогда на втором полупрозрачном зеркале он может либо пройти либо отразиться. Если за 100% взять исходное количество фотонов, то половина из них попадет на бомбу и приведет к ее срабатыванию. Половина от оставшихся 50-ти процентов, двигавшихся по верхней ветке, отразится, а половина пройдет второе полупрозрачное зеркало. То есть 25% от исходного количества фотонов попадет в первый детектор и 25% во второй. Но заметьте, что в случае нерабочей бомбы интерференция не позволяет попасть фотону в первый детектор. То есть если мы фиксируем фотон первым детектором, то мы точно знаем, что бомба рабочая. При этом сама она не взорвалась потому что фотон двигался по верхней ветке. При исследовании только рабочих бомб мы таким образом проверим 25% из них на работоспособность при этом не взорвав. Если фотон обнаружен вторым детектором, то мы не можем сказать рабочая бомба или нет. Он мог туда попасть в результате интерференции при нерабочей бомбе, а мог и при рабочей бомбе. То есть оказаться в тех 25% процентах что прошли, а не отразились на втором полупрозрачном зеркале. В любом случае мы можем повторно исследовать эти бомбы тем же способом и со второго и последующих подходах отфильтровать еще часть рабочих бомб.

Мораль этого мысленного эксперимента такова: Измерение есть получение информации. Любым способом. Информацию можно извлечь и косвенно, не прикасаясь напрямую к интересующему объекту. В этом случае объект сам должен быть составной частью большей системы. Именно получение информации приводит к коллапсу вектора состояния в базисный вектор и разрушает интерференцию.

Интерференция наблюдается только тогда, когда информация о реализации той или иной альтернативной возможности отсутствует в Природе.