Міжнародна група фізиків експериментально підтвердила, що при проходженні фотона через три щілини внесок в отримувану в результаті інтерференційну картину дають і неможливі з точки зору класичної фізики траєкторії. Це відкриття підтвердило некоректність широко поширеного наївного розуміння принципу квантової суперпозиції і, можливо, дозволить посилити існуючі схеми роботи квантових комп'ютерів. Роботу опубліковано в журналі Nature Communications. З її текстом можна ознайомитися також на сайті препринтів arxiv.org.
Група експериментаторів, очолювана відомим фізиком Робертом Бойдом (який, зокрема, був першим, хто здійснив «уповільнення світла» при кімнатній температурі), придумала і реалізувала схему, що демонструє внесок так званих «некласичних» траєкторій в картину, одержувану при інтерференції фотонів на трьох щілинах.
Інтерференція на двох щілинах - це класичний експеримент, що демонструє хвильові властивості світла. Вперше він був здійснений на самому початку XIX століття Томасом Юнгом і став однією з головних причин відмови від домінуючої тоді корпускулярної теорії світла.
На початку XX століття, однак, було з'ясовано, що світло все ж складається з частинок, які отримали назву фотонів, але ці частинки загадковим чином володіють і хвильовими властивостями. Виникла концепція корпускулярно-хвильового дуалізму, яка була поширена також і на частинки матерії. Зокрема, наявність хвильових властивостей було виявлено в електронів, а пізніше і в атомів і молекул.
У квантовій механіці - новому розділі фізики, що виник внаслідок цих відкриттів, - виникнення інтерферометричної картини в експерименті з двома щелями грає одну з центральних ролей. Так, Річард Фейнман у своїх "Фейнманівських лекціях з фізики" пише, що це явище, "яке неможливо, абсолютно, абсолютно неможливо пояснити класичним чином. У цьому явищі таїться сама суть квантової механіки ".
Експеримент з двома щелями демонструє одне з центральних понять квантової фізики - квантову суперпозицію. Принцип квантової суперпозиції стверджує, що якщо якийсь квантовий об'єкт (наприклад, фотон або електрон) може перебувати в якомусь стані 1 і в якомусь стані 2, то він може перебувати і в стані, який є в деякому сенсі частково і станом 1, і станом 2. Цей стан і називається суперпозицією станів 1 і 2. У випадку з щілинами частинка може пройти через одну щілину, а може через іншу, але якщо обидві щілини відкриті, то частинка проходить через обидві і виявляється в стані суперпозиції «частинки, що пройшла через щілину 1» і «частинки, що пройшла через щілину 2».
У 2012 році в роботі, опублікованій в журналі Physical Review Letters, автори звернули увагу, що принцип суперпозиції в цьому випадку часто розуміють і навіть пояснюють у підручниках неправильно. Зазвичай кажуть, що стан частинки після проходження двох щілин являє собою суперпозицію її станів після проходження кожної з щілин при закритій іншій щілині, однак це не зовсім так. Коли відкриті обидві щілини, кожна з них впливає на іншу і частинка, взагалі кажучи, тепер проходить кожну з щілин не так, як проходила б її, якби інша щілина була закрита. І хоча відмінність невелика і її складно виміряти в експерименті, вона може грати роль, якщо розглядаються слабкі ефекти. Крім того, як виявилося, вплив щілин один на одного можна посилити.
Вплив однієї щілини на іншу квантовою мовою простіше пояснювати через один з альтернативних описів квантової фізики, розроблений тим же Річардом Фейнманом. Згідно з його підходом, відомим як «інтеграли по траєкторіях», при переміщенні частинки з однієї точки в іншу вона проходить відразу по всіх можливих траєкторіях, що з'єднують ці точки, але кожна траєкторія має свою «вагу». Найбільший внесок дають траєкторії, близькі до тих, які пророкує класична фізика, - саме тому квантові закони в межі зводяться до класичних. Але й інші траєкторії теж важливі.
Серед цих траєкторій можуть бути і такі, які абсолютно неможливі класично. Вони, скажімо, можуть містити ділянки, на яких частинка рухається у зворотний бік. У разі експерименту з щілинами це, наприклад, траєкторії, які спочатку входять в одну щілину, потім проходять через іншу, а потім виходять через третю. Саме такі дивні траєкторії і пояснюють вплив однієї щілини на іншу, тому що тільки вони відсутні, коли одна з щілин закрита.
Щоб довести наявність «некласичних» траєкторій, Роберт Бойд з колегами запропонували посилити їх вплив за рахунок збудження так званих приповерхневих плазмонів. Плазмони - це пов'язаний стан фотону та електрону в металі. За рахунок них світло виявляється ніби прив'язаним до поверхні металу і може ефективно поширюватися вздовж неї на відносно великі відстані. Існування плазмонів збільшує вплив однієї щілини на іншу і, відповідно, «вагу» траєкторій, що йдуть від однієї щілини до іншої.
В експерименті Бойда щілини були вирізані пучком іонів у шарі золота, напиленого на прозоре скло. Оскільки золото хороший провідник, то в ньому легко збуджуються плазмони.
Щоб спостерігати вплив щілин один на одного, експериментатори запропонували провести наступний досвід. Спочатку дві щілини з трьох закривають, і фотони проходять тільки через одну щілину. На екрані в цьому випадку виходить невелика освітлена смужка. При цьому використовують джерело світла, ширина променя якого менше відстані між щілинами. Тому коли щілини відкриваються, то, згідно з наївними уявленнями, картина змінюватися не повинна - адже ці щілини не висвітлюються. Однак через вплив щілин один на одного існують такі траєкторії, які, увійшовши через освітлювану щілину, вийдуть зі щілини, яка не висвітлюється, і створять інтерференційну картину. За рахунок плазмонів цей ефект посилюється, і в досвіді добре видно зміну характеру освітленості екрану. Це і доводить існування «некласичних» траєкторій.
На даний момент не зовсім зрозуміло, чи можуть ці дослідження мати якесь значення для прикладних завдань. Автори роботи сподіваються, що за допомогою посилення некласичних траєкторій можна створювати більш ефективні протоколи роботи пристроїв, заснованих на явищі квантової суперпозиції та інтерференції, - наприклад, квантових комп'ютерів, призначених для симуляції реальних квантових систем (так звані, квантові симулятори).
Крім того, облік некласичних траєкторій важливий для ще одного напрямку в сучасній фундаментальній фізиці. Одна з головних невирішених проблем, що стоять перед вченими, - це об'єднання квантової теорії з теорією гравітації. На цьому шляху існують принципові складнощі, які, як вважають багато хто, можна подолати, тільки видозмінивши або одну з цих теорій, або відразу обидві. Тому зараз йдуть пошуки можливих розбіжностей реальності з передбаченнями цих теорій. Одним з напрямків є пошук відхилень від принципу квантової суперпозиції. Так, у 2010 році було опубліковано дослідження, автори якого намагалися знайти такі відхилення в трищолевому експерименті. Жодних розбіжностей не виявили, але ця стаття спровокувала згадувану вище роботу 2012 року. Один з її висновків полягав саме в тому, що в експерименті 2010 року було використано неправильне розуміння принципу квантової суперпозиції і це внесло свою частку неврахованої помилки у вимірювання. І хоча величина цієї помилки була мала, ефект, який шукають вчені, теж може бути невеликий, тому в таких пошуках внесок некласичних траєкторій слід все ж враховувати.