Макроскопічний об'єкт майже переведений в квантовий стан - на черзі людина?

 Закони квантового світу здаються нам парадоксальними лише тому, що ми, неквантовой мислячі спостерігачі, змушені дивитися на цей світ з боку. Але що якщо перевести самої людини в певний квантовий стан і дати йому можливість поглянути на квантовий світ зсередини? Що він відчує і усвідомлює? Відповіді на ці питання, не дивлячись на їх фантастичність, можна буде отримати вже в найближчому майбутньому. В недавній статті, що з'явилася в архіві препринтів, повідомляється про революційний досягненні - перекладі макроскопічного тіла масою 10 кг в майже чисте квантовий стан. Ще один ривок - і ця технологія дозволить переводити в певний квантовий стан цілого людини. Не виключено, що сеанси повного занурення в квантовий світ стануть розвагою широкої публіки вже за нашого життя.

Закони квантової механіки здаються нам дуже незвичними, навіть парадоксальними. Але це лише тому, що ми, макроскопічні неквантовой спостерігачі, самі не беремо участі в «квантової грі» світобудови. Ми дивимося на неї як би з боку і намагаємося збагнути її логічно, а не через відчуття.

Для фізиків-теоретиків тут теж є предмет для гарячих суперечок, правда дещо іншого характеру. Звичайно, з обчислювальної точки зору тут проблем немає. Фізики вже звиклися з законами мікросвіту, вміють висловлювати їх математично і знають, як розрахувати ймовірності тих чи інших квантових процесів. Але це все можна застосувати, лише поки ми описуємо окремі атоми і молекули. У макроскопічних же об'єктів від квантового поведінки не залишається і сліду. Інтрига тут в тому, що в самому пристрої квантової механіки немає ніякого натяку на межі її застосування. За ідеєю, квантова механіка повинна працювати взагалі для всіх об'єктів, включаючи Всесвіт цілком. Як же так виходить, що ми втрачаємо квантову нитку в повсякденному світі? На жаль, невідомо. Незважаючи на вікову історію суперечок фізиків, до сих пір немає загальновизнаної теорії, яка пояснювала б цей перехід з квантового в класичне у всіх деталях.

Мабуть, найгарячіші баталії викликає постулат про те, що людська свідомість саме впливає на еволюцію квантових систем і тим самим визначає той чи інший розвиток подій в навколишньому світі. Одні фізики в цьому бачать вирішення всіх концептуальних парадоксів квантової механіки. Сучасний різновид цієї школи квантової думки називається байесовский кубізм (QBism); деяке уявлення про нього можна отримати зі статті An Introduction to QBism with an Application to the Locality of Quantum Mechanics. Інші дослідники або категорично відкидають подібні спекуляції, або вважають, що вони виходять за рамки науки.

Поки теоретики і філософи сперечаються про те, що в реальності відбувається на розмитій межі між квантовим і класичним, експериментатори почали цю межу промацувати на досвіді. Наприклад, в 2009 році вчені змогли перевести в стан квантової суперпозиції не окремі молекулу, а цілий вірус (див. Подробиці в популярній статті Людству можуть загрожувати квантові хвороби). За минуле десятиліття технологія неухильно розвивалася, підживлюючи різними проектами з області фундаментальної фізики. І ось в 2021 році дослідникам вдалося впритул наблизитися до того, щоб перевести в чисте квантовий стан по-справжньому макроскопічний об'єкт масою 10 кілограмів!

Про це вражаючому досягненні розповідається в публікації Approaching the motional ground state of a 10 kg object, що з'явилася поки у вигляді електронного препринта і спрямованої в журнал. Стаття підписана двома сотнями авторів, причому більшість з них працюють на гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO. І це не випадково: адже в ролі 10-кілограмового об'єкта, який автори примудрилися охолодити майже до чистого квантового стану, виступили масивні дзеркала гравітаційно-хвильової антени.

Чому звичайний макроскопічний об'єкт, навіть якщо це простий шматок полірованого кристала, так далекий від квантового світу? Тому що він знаходиться при досить високій температурі і безперервно взаємодіє з навколишнім середовищем. Усередині твердого тіла коливаються молекули, а якщо цих коливань було недостатньо, то зовнішнє середовище їх розгойдає за рахунок зіткнення з молекулами газу або теплового випромінювання. Але дзеркала в LIGO підвішені в вакуумі на складних підвісах і максимально ізольовані від зовнішнього середовища. Якщо їх охолодити, повністю придушивши всякий рух всередині, то масивне дзеркало буде знаходитися в чистому квантовому стані і з ним можна працювати як з квантової часткою величезної маси.

Все це, звичайно, дуже непросто. Але ж технологія LIGO якраз і розроблялася з метою досягти те, що здавалося раніше недосяжним (ось вам і практичне застосування пошуку гравітаційних хвиль!). Дослідники повідомляють, що їм вдалося зупинити майже все молекулярний рух всередині дзеркал. За їхніми оцінками, в масивних дзеркалах залишалося близько десятка фононів - квантів коливань кристалічної решітки, - що відповідає температурі менше 100 нанокельвін. Автор и впевнені, що в гравітаційно-хвильових антенах третього покоління рух вдасться усунути повністю, знизивши чисто фононів до одного, та й то виникає лише час від часу. Це буде по-справжньому основне квантовий стан поступального руху для рекордного за масою об'єкта.

Але раз можна охолодити до чистого квантового стану важкий кристал, то чому б це не зробити і з людиною? Будучи переведеним в чисте квантовий стан, людина почне еволюціонувати відповідно до законів квантової механіки і стане повноцінною частиною квантового світу! А значить, відкривається запаморочлива перспектива відчути парадокси квантового світу на собі і потім розповісти, як воно. Можна буде нарешті експериментально перевірити, як свідомість людини впливає на квантову суперпозицію!

Подорожжю людини по квантовому світу можна буде управляти, як ми управляємо атомами. Це буде найзручніше зробити за допомогою так званих заплутаних станів досліджуваного об'єкта з квантовим маніпулятором. До недавнього часу заплутані стану спостерігалися тільки для окремих елементарних частинок або атомів. Однак в минулому році з'явилися перші результати по заплутування квантових станів макроскопічних об'єктів (S. Kotler et al., 2020. Tomography of Entangled Macroscopic Mechanical Objects). Об'єкти там були не такі великі: чи не масивні кристали, а, скоріше, піщинки. Але це тільки початок, і можна очікувати, що коли-небудь будуть реалізовані квантовозапутанние стану тих же дзеркал в гравітаційно-хвильових антенах.

Завдяки зовнішньому управлінню, мандрівника по квантовому світу можна буде за замовленням переводити в суперпозицію станів (аналог кота Шредінгера) або в делокалізованних стан, коли він знаходиться одночасно і там, і тут. Можна буде навіть заплутувати стан двох добровольців, проводячи обряди квантового вінчання, а також організовувати сеанси колективного заплутування. Словом, перспективи відкриваються захопливі.

Звичайно, на шляху до занурення в квантову реальність ще потрібно подолати чимало технічних складнощів. Людини доведеться ввести в режим квантової глибокого сну, що представляє собою дуже перспективну, хоча і досі не вивчав, медичне завдання - адже квантовий стан з успіхом замінить анестезію під час операції. Буде потрібно також розробити новий етичний протокол для подорожі в квантовий світ. Але можна бути впевненим, що для такої благородної мети знайдуться добровольці, так само як вони знаходяться для польоту на Марс в один кінець.

Ну а потім, після розповідей першопрохідців, в що знаходиться поруч з нами, але приховану від повсякденного життя реальність, безсумнівно, хлине натовп квантових туристів, любителів гострих квантових відчуттів і інших квантових тіктокеров. І хто знає, може бути вже через одне покоління квантова заплутаність і делокалізованних стан стануть звичним дозвіллям для молоді.

Джерело