Mecanica cuantică: descoperiri de ultima oră

De la începuturile sale, teoria cuantică ne-a prezentat multe fenomene ciudate și aparent paradoxale. Unul dintre cele mai ciudate exemple este efectul pisicii cuantice Cheshire, în care proprietățile obiectelor cuantice devin lipsite de trup față de obiectele în sine. Acum, doi dintre cercetătorii care au prezis efectul au arătat că este chiar mai ciudat decât au crezut inițial: nu numai că proprietățile cuantice se pot desprinde de obiectele lor părinte, ci și aceste proprietăți se pot deplasa de la sine și interacționa cu regiuni îndepărtate, chiar dacă obiectul în sine nu călătorește niciodată acolo. Conceptul de pisică Cheshire cuantică a fost introdus în 2013 de o echipă de cercetători din universitățile israeliene și britanice care s-au inspirat din pisica omonimă care dispare din romanul lui Lewis Carroll Aventurile lui Alice în Țara Minunilor.

Efectul cuantic al pisicii Cheshire își ia numele de la un personaj din romanul lui Lewis Carroll ”Aventurile lui Alice în Țara Minunilor”

Așa cum pisica Cheshire a lui Carroll poate dispărea în voie, lăsând în urmă doar un rânjet, o particulă cuantică poate deveni complet separată de propriile sale proprietăți. Deși ideea poate părea ciudată la început, efectul a fost demonstrat de atunci experimental prin separarea unui fascicul de neutroni de momentele lor magnetice. În cea mai recentă dezvoltare, doi autori ai lucrării originale, Yakir Aharnov de la Universitatea din Tel Aviv și Sandu Popescu de la Universitatea din Bristol, au făcut echipă cu Eliahu Cohen de la Universitatea Bar Ilan pentru a-și imagina o cutie cu o particulă spin-½ în ea. Dacă măsoară rotația unei astfel de particule de-a lungul oricăreia dintre cele trei axe din spațiu, ei vor descoperi că este îndreptată în una dintre cele două direcții: sus sau jos, stânga sau dreapta, înainte sau înapoi. Cutia are o partiție în mijloc (indicată prin linia galbenă din figura de mai jos), iar această partiție are o probabilitate infinitezimală de a permite trecerea particulei (reprezentată de creasta roșie). Între timp, peretele drept al cutiei este transparent dacă rotația particulei este îndreptată în sus; în caz contrar, particula va reveni. Peretele din dreapta este, de asemenea, singurul loc care poate afecta rotația particulei; în termeni fizici, ar putea fi realizat cu un câmp magnetic orientat de-a lungul axei sus-jos (z). La începutul acestui experiment de gândire, particula se află în partea stângă a cutiei, cu rotația îndreptată în sus (+ z). Apoi se mișcă la dreapta, în mare parte sare de pe partiție și se scurge infinitezimal de minuscule.

Acest micuț ar trebui să aibă în continuare rotirea îndreptată în sus, astfel încât să treacă prin partea dreaptă a cutiei și să iasă în mediu. Pe o perioadă foarte lungă, particula ar trebui să se scurgă complet din cutie. În mod surprinzător, echipa a descoperit că, chiar dacă particula este încă măsurată ferm ca fiind pe partea stângă a cutiei, direcția de rotație de-a lungul x. -axa (dreapta sau stânga) pare să se răstoarne în timpul experimentului. Sursa acestei rotații este cantitatea mică de spin a axei z a particulei care se scurge prin partiție și interacționează cu bariera câmpului magnetic de la peretele din dreapta; Cercetătorii au arătat matematic că această interacțiune inversează spinul axei x a particulei, chiar dacă particula rămâne în cea mai mare parte pe partea stângă. Această răsturnare aparentă ar putea fi demonstrată și experimental prin așa-numitele măsurători slabe, care nu perturbă suficient funcția de undă a particulei pentru a o prăbuși. Prin urmare, astfel de măsurători permit cercetătorilor să compare direcția spinului la începutul experimentului cu direcția acestuia după ce particula a sărit înainte și înapoi de mai multe ori. Motivul pentru care această răsturnare pare ciudată este că, în afară de peretele din dreapta, nicio parte a cutiei nu influențează direcția rotației.

Cu toate acestea, dacă la sfârșitul experimentului se măsoară particulele ca fiind în partea stângă a cutiei și orice cantitate mică din ea care a pătruns în partea dreaptă s-a scurs, atunci în mod intuitiv spinul particulei nu ar fi trebuit să se fi schimbat. Faptul că se schimbă într-adevăr arată că rotația particulei a călătorit în partea dreaptă a cutiei fără ca particula să părăsească vreodată din stânga. Acesta este efectul cuantic al pisicii Cheshire, în care „rânjetul” sare în jurul cutiei, chiar dacă pisica însăși rămâne pe o parte. O consecință a acestui nou fenomen este comunicarea contrafactuală – adică o modalitate de a trimite informații fără a trimite o particulă fizică. De exemplu, două persoane ar putea trimite informații din partea dreaptă a cutiei spre stânga fără ca particula să părăsească vreodată partea stângă, pur și simplu punând persoana din dreapta să pornească sau să dezactiveze bariera dependentă de spin. Persoana din stânga ar primi apoi informații prin măsurarea dacă direcția de rotație a axei x a fost inversată sau nu. Deși un astfel de protocol ar necesita multe măsurători pentru a fi precis, cercetătorii susțin că efectul cuantic dinamic al pisicii Cheshire ar putea, în principiu, să fie încorporate în protocoalele de comunicare contrafactuale existente și mai eficiente în viitor.

Aceasta nu este, totuși, preocuparea lor principală în lucrare, care este publicată în Nature Communicatio. „Ceea ce este cel mai important pentru noi nu este o potențială aplicație – deși este cu siguranță ceva de căutat – ci ceea ce ne învață despre natură”, spune Popescu pentru Physics World. „Mecanica cuantică este foarte ciudată și la aproape o sută de ani de la descoperirea ei continuă să ne încurce. Credem că dezvăluirea unor fenomene și mai enigme și analizarea mai adânc în ele este modalitatea de a le înțelege în sfârșit.” Sursa: physicsworld.com