Бросьте камень в пруд — по воде разойдутся круги. Если бросить два камня рядом, круги пересекутся, создавая узор из усиленных и погашенных волн. Это интерференция. В квантовом мире роль таких кругов играют волны вероятности, а способность частицы создавать интерференцию называют когерентностью. Но как измерить эту способность, если любое измерение само по себе разрушает узор, словно вы пытаетесь сфотографировать круги на воде, ударяя по ней веслом?
Авторы новой работы нашли обходной путь. Вместо того чтобы напрямую измерять когерентность, они предложили подвергать частицу случайным толчкам импульса — как если бы невидимый барабанщик выбивал дробь по волнам вероятности. После таких толчков интерференционный узор смазывается, и частица теряет часть своей когерентности. По тому, насколько сильно испортился узор, можно судить о том, какой когерентностью частица обладала изначально. Этот метод похож на оценку остроты зрения не по таблице, а по тому, как быстро человек начинает щуриться при лёгкой ряби в воздухе.
Исследователи построили математический аппарат, который позволяет количественно оценить потери когерентности. Они ввели две меры: одна, основанная на понятии информационной энтропии, ведёт себя как идеальный ресурс — её нельзя увеличить бесплатными операциями. Вторая мера проще для экспериментатора, но менее строга теоретически. Чтобы проверить свою теорию, учёные рассчитали, как будет терять когерентность гауссов волновой пакет (облачко вероятности в форме колокольчика), падающий в гравитационном поле. Оказалось, что даже в таком простом сценарии когерентность убывает предсказуемо, что даёт надежду на экспериментальную проверку.
Этот подход напоминает работу переводчика, который не вслушивается в каждое слово, а следит за тем, как меняется смысл фразы при помехах. Если тихий шёпот заглушается шумом, значит, исходный сигнал был слаб. Так и здесь: потеря когерентности от случайных толчков выдаёт, насколько частица была готова к интерференции. Практическая польза такого метода — в создании более надёжных квантовых устройств, где когерентность нужно поддерживать, словно пламя свечи на ветру.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с потерей когерентности, когда слушаем радио в машине: по мере удаления от станции музыка начинает «шипеть» — это случайные помехи разрушают согласованность волны.
В романе «Квантовый вор» Ханну Райаниеми когерентность используется как валюта, а её потеря грозит распадом личности — почти как в этой работе, где когерентность выступает ресурсом.