Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 10 от 14 марта 2006 года

Очень странный на первый взгляд механизм «квантового допроса» или квантовых оптических измерений «без взаимодействия» с измеряемым объектом на самом деле не очень сложен, по крайней мере в принципе. Его идею легче всего понять на простейшем мысленном эксперименте, предложенном в 1993 году Авшаломом Элитзуром и Львом Вайдманом (Avshalom C. Elitzur, Lev Vaidman), который получил известность как парадокс проверки бомбы.

Предположим, что в некотором абсолютно темном помещении может быть заложена сверхчувствительная бомба, которая взрывается при поглощении единственного фотона. И нам надо выяснить, есть ли она там на самом деле. У классического сапера нет никаких шансов. При любой попытке что-то увидеть фотон попадет в бомбу, и она взорвется.

Но у «квантового сапера» некоторый шанс есть. Для проверки наличия бомбы нужно взять простейший интерферометр Маха-Цендера (того самого Маха, философию которого критиковал в свое время Ленин). Интерферометр состоит из пары полупрозрачных (A и D) и пары обычных зеркал (B и С). Если его плечи одинаковы, то при отсутствии бомбы фотоны, запущенные слева в зеркало A, будет регистрировать только правый детектор D2, поскольку из-за интерференции волн света они полностью потушат друг друга и не попадут в верхний детектор D1. Причем такая интерференция наблюдается, даже если фотон лишь один, как это ни кажется парадоксальным.

А что произойдет, если бомба есть? С вероятностью 50% фотон отразится от первого полупрозрачного зеркала вверх, попадет в бомбу, и она взорвется. Ну что ж, саперу не повезло. Но с той же вероятностью фотон полетит по нижнему плечу интерферометра, и тогда у нас есть два варианта. Либо фотон отразится от последнего зеркала и попадет в детектор D2, и мы ничего не сможем сказать о наличии или отсутствии бомбы. Придется пробовать еще раз. Но если нам повезет, то фотон будет пропущен последним зеркалом и попадет в детектор D1, и тогда мы с уверенностью сможем сказать, что бомба есть, поскольку если бы бомбы не было, то из-за интерференции в этот детектор ничего бы не попало. Шансы на удачу невелики, всего 25%, но это все же лучше, чем ничего.

В чем же фокус? А никакого фокуса нет. Тут просто используется хорошо известный корпускулярно-волновой дуализм нашего странного мира, в котором каждая частица одновременно еще и волна. В интерферометре проявляются волновые свойства фотона, а если один из его путей перекрыт бомбой, то фотон проявляет себя как частица и информация об этом может сохранить жизнь саперу.

Пример получил известность, и сразу возник вопрос: можно ли увеличить шансы сапера на выживание? В описанной схеме, подобрав коэффициент пропускания зеркал и выполнив несколько попыток в случае неопределенного ответа, можно увеличить шансы сапера обнаружить бомбу, не подорвавшись, но в лучшем случае до 50%. Это, конечно, маловато. Но почти сразу были придуманы и более изощренные устройства, в которых шансы теоретически могут быть сколь угодно близки к ста процентам. И уже в первых экспериментах, разумеется без всяких бомб, успех достигался более чем в 70% случаев. Их стали называть квантовыми измерениями без взаимодействия (Interaction-Free Measurements), или способом «видеть в темноте».

С некоторыми из таких устройств можно ознакомиться на страничке профессора Поля Квайэта. Именно он с коллегами в 1994 году предложил первое устройство для наблюдений в темноте, стажируясь в Австрии в группе известного специалиста по квантовой оптике профессора Зелингера (anton Zeilinger). Это устройство использует поляризацию фотонов и так называемый квантовый эффект Зенона (назван в честь древнегреческого философа, прославившегося своими апориями, в том числе про Ахилла и черепаху). Этот эффект иногда называют теоремой о котелке, который никак не закипит, если за ним все время наблюдать. Теорема гласит, что если состояние квантовой системы измерять достаточно быстро и часто, то она так в этом состоянии и останется, вместо того чтобы эволюционировать по законам квантовой механики. Добавив к интерферометру пластинку, вращающую поляризацию, несколько поляризационных делителей и фильтров, которые все время «измеряют» поляризацию, можно заставить его «увидеть» бомбу при сколь угодно малой вероятности ее взорвать.

Позже был предложен и целый ряд других способов «наблюдений в темноте», которые используют иные квантовые эффекты.