Макроскопический объект почти переведен в квантовое состояние — на очереди человек?

Законы квантового мира кажутся нам парадоксальными лишь потому, что мы, неквантовые мыслящие наблюдатели, вынуждены смотреть на этот мир со стороны. Но что если перевести самого человека в определенное квантовое состояние и дать ему возможность взглянуть на квантовый мир изнутри? Что он почувствует и осознает? Ответы на эти вопросы, несмотря на их фантастичность, можно будет получить уже в ближайшем будущем. В недавней статье, появившейся в архиве препринтов, сообщается о революционном достижении — переводе макроскопического тела массой 10 кг в почти чистое квантовое состояние. Еще один рывок — и эта технология позволит переводить в определенное квантовое состояние целого человека. Не исключено, что сеансы полного погружения в квантовый мир станут развлечением широкой публики уже при нашей жизни.

Законы квантовой механики кажутся нам очень непривычными, даже парадоксальными. Но это лишь потому, что мы, макроскопические неквантовые наблюдатели, сами не участвуем в «квантовой игре» мироздания. Мы смотрим на нее как бы со стороны и пытаемся постичь ее логически, а не через ощущения.

Для физиков-теоретиков здесь тоже есть предмет для горячих споров, правда несколько иного характера. Конечно, с вычислительной точки зрения тут проблем нет. Физики уже свыклись с законами микромира, умеют выражать их математически и знают, как рассчитать вероятности тех или иных квантовых процессов. Но это всё применимо, лишь пока мы описываем отдельные атомы и молекулы. У макроскопических же объектов от квантового поведения не остается и следа. Интрига здесь в том, что в самом устройстве квантовой механики нет никакого намека на границы ее применимости. По идее, квантовая механика должна работать вообще для всех объектов, включая Вселенную целиком. Как же так получается, что мы теряем квантовую нить в повседневном мире? Увы, неизвестно. Несмотря на вековую историю споров физиков, до сих пор нет общепризнанной теории, которая объясняла бы этот переход из квантового в классическое во всех деталях.

Пожалуй, самые горячие баталии вызывает постулат о том, что человеческое сознание само влияет на эволюцию квантовых систем и тем самым определяет то или иное развитие событий в окружающем мире. Одни физики в этом видят решение всех концептуальных парадоксов квантовой механики. Современная разновидность этой школы квантовой мысли называется байесовский кубизм (QBism); некоторое представление о нем можно получить из статьи An Introduction to QBism with an Application to the Locality of Quantum Mechanics. Другие исследователи либо категорически отметают подобные спекуляции, либо считают, что они выходят за рамки науки.

Пока теоретики и философы спорят о том, что в реальности происходит на размытой границе между квантовым и классическим, экспериментаторы принялись эту границу прощупывать на опыте. Например, в 2009 году ученые смогли перевести в состояние квантовой суперпозиции не отдельную молекулу, а целый вирус (см. подробности в популярной статье Человечеству могут грозить квантовые болезни). За прошедшее десятилетие технология неуклонно развивалась, подпитываясь самыми разными проектами из области фундаментальной физики. И вот в 2021 году исследователям удалось вплотную приблизиться к тому, чтобы перевести в чистое квантовое состояние по-настоящему макроскопический объект массой 10 килограммов!

Об этом впечатляющем достижении рассказывается в публикации Approaching the motional ground state of a 10 kg object, появившейся пока в виде электронного препринта и направленной в журнал. Статья подписана двумя сотнями авторов, причем большинство из них работают на гравитационно-волновой обсерватории LIGO. И это не случайно: ведь в роли 10-килограммового объекта, который авторы умудрились охладить почти до чистого квантового состояния, выступили массивные зеркала гравитационно-волновой антенны.

Почему обычный макроскопический объект, даже если это простой кусок полированного кристалла, так далек от квантового мира? Потому что он находится при достаточно высокой температуре и непрерывно взаимодействует с окружающей средой. Внутри твердого тела колеблются молекулы, а если этих колебаний было недостаточно, то внешняя среда их раскачает за счет столкновения с молекулами газа или теплового излучения. Но зеркала в LIGO подвешены в вакууме на сложных подвесах и максимально изолированы от внешней среды. Если их охладить, полностью подавив всякое движение внутри, то массивное зеркало будет находиться в чистом квантовом состоянии и с ним можно работать как с квантовой частицей огромной массы.

Всё это, конечно, очень непросто. Но ведь технология LIGO как раз и разрабатывалась с целью достичь то, что казалось раньше недостижимым (вот вам и практическое применение поиска гравитационных волн!). Исследователи сообщают, что им удалось остановить почти всё молекулярное движение внутри зеркал. По их оценкам, в массивных зеркалах оставалось около десятка фононов — квантов колебаний кристаллической решетки, — что отвечает температуре менее 100 нанокельвин. Авторы уверены, что в гравитационно-волновых антеннах третьего поколения движение удастся устранить полностью, снизив чисто фононов до одного, да и то возникающего лишь время от времени. Это будет по-настоящему основное квантовое состояние поступательного движения для рекордного по массе объекта.

Но раз можно охладить до чистого квантового состояния тяжелый кристалл, то почему бы это не проделать и с человеком? Будучи переведенным в чистое квантовое состояние, человек начнет эволюционировать в соответствии с законами квантовой механики и станет полноценной частью квантового мира! А значит, открывается головокружительная перспектива почувствовать парадоксы квантового мира на себе и потом рассказать, каково оно. Можно будет наконец экспериментально проверить, как сознание человека влияет на квантовую суперпозицию!

Путешествием человека по квантовому миру можно будет управлять, как мы управляем атомами. Это будет удобнее всего сделать с помощью так называемых запутанных состояний изучаемого объекта с квантовым манипулятором. До недавнего времени запутанные состояния наблюдались только для отдельных элементарных частиц или атомов. Однако в прошлом году появились первые результаты по запутыванию квантовых состояний макроскопических объектов (S. Kotler et al., 2020. Tomography of Entangled Macroscopic Mechanical Objects). Объекты там были не такие большие: не массивные кристаллы, а, скорее, песчинки. Но это только начало, и можно ожидать, что когда-нибудь будут реализованы квантовозапутанные состояния тех же зеркал в гравитационно-волновых антеннах.

Благодаря внешнему управлению, путешественника по квантовому миру можно будет по заказу переводить в суперпозицию состояний (аналог кота Шрёдингера) или в делокализованное состояние, когда он находится одновременно и там, и тут. Можно будет даже запутывать состояние двух добровольцев, проводя обряды квантового венчания, а также организовывать сеансы коллективного запутывания. Словом, перспективы открываются самые захватывающие.

Конечно, на пути к погружению в квантовую реальность еще потребуется преодолеть немало технических сложностей. Человека придется ввести в режим квантовой гибернации, что представляет собой очень перспективную, хотя и до сих пор не изучавшуюся, медицинскую задачу — ведь квантовое состояние с успехом заменит анестезию при операции. Потребуется также разработать новый этический протокол для путешествия в квантовый мир. Но можно быть уверенным, что для такой благородной цели найдутся добровольцы, так же как они находятся для полета на Марс в один конец.

Ну а затем, после рассказов первопроходцев, в находящуюся рядом с нами, но скрытую от повседневной жизни реальность, несомненно, хлынет толпа квантовых туристов, любителей острых квантовых ощущений и прочих квантовых тиктокеров. И кто знает, может быть уже через одно поколение квантовая запутанность и делокализованное состояние станут привычным досугом для молодежи.

Источник: elementy.ru

. .