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.

«РБК Daily». По всей видимости, это сильно разочарует поклонников фантастических фильмов во всем мире.

Впервые идея о том, что единичный фотон - невесомая единица света - может преодолевать скорость света, появилась около 10 лет назад, с открытием сверхсветовой скорости. В свою очередь данные о том, что существуют среды со "сверхсветовыми" свойствами породили надежды о теоретической возможности путешествий во времени. Однако теперь измерения физиков из Гонконга закрыли эту теоретическую "лазейку".

Напомним, постулат о постоянстве скорости света (300 тысяч км/ч) лежит в основе современных физических теорий, объясняющих устройство мира. Автор теории относительности Альберт Эйнштейн считал, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета - то есть она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.  Тем не менее некоторые специалисты указывали, что для отдельных фотонов, которые подчиняются законам квантовой механики, оно может так или иначе нарушаться. До сих пор ученым не удавалось подтвердить или опровергнуть подобные гипотезы, так как проведение эксперимента связано с серьезными техническими трудностями, отмечает Lenta.ru.

Теперь в вопросе достигнута окончательная определенность. В ходе экспериментов группе ученых под руководством профессора Ду Шенвана удалось доказать то, что Эйнштейн был права: разогнать единичный фотон быстрее скорости света невозможно.

«Показав, что отдельные фотоны не могут двигаться быстрее скорости света, наши результаты ставят точку в обсуждении вопроса о фактической скорости информации, которую несет один фотон, - говорит ученый. - Возможно, выводы, сделанные нами, дадут ученым более полную картину о передаче квантовой информации».