Ученые физического факультета Томского государственного университета Петр Казинский и Владислав Рякин и выпускница ФФ ТГУ Полина Шевченко исследовали излучение фотонов, вызванное измерением состояния дираковских частиц, например, электронов. Они выяснили, что измерение состояния частицы не просто меняет ее квантовое состояние, но и может привести к излучению фотонов. Результаты опубликованы в журнале Physical Review D (Q1).
— Насколько мы знаем, это новый тип излучения, связанный с сугубо квантовым процессом коллапса состояния частицы при измерении. В частности, такое излучение существует при измерении состояния свободно движущейся частицы. Исследование этого излучения открывает новые горизонты для изучения квантовой механики и ее приложений, — отмечает профессор кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ Петр Казинский.
В исследовании развивается теория, которая объясняет, как проективное измерение (тип квантового измерения, которое приводит к коллапсу волновой функции частицы) может привести к излучению фотонов. Это излучение обладает свойствами, схожими с краевым или переходным излучением, возникающим при прохождении заряженных частиц через границу между двумя средами.
— Чтобы лучше понять суть явления, можно провести аналогию с классической электродинамикой. Представьте, что вы резко останавливаете заряженный шарик. В результате этого резкого изменения движения шарик излучает электромагнитные волны. В квантовом случае резкое изменение происходит не за счет изменения ее траектории, а за счет изменения волновой функции, что приводит к аналогичному эффекту излучения, — говорит соавтор работы, аспирант кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ Владислав Рякин.
Излучение при измерении может быть использовано для изучения динамики коллапса волновой функции частицы. Оно также может служить источником высокоэнергетических фотонов, хотя время измерения накладывает ограничение на максимальную энергию излучаемых фотонов.
Основные идеи исследования:
Когда мы измеряем состояние квантовой частицы, ее волновая функция коллапсирует в одно из возможных состояний. Этот процесс может привести к излучению фотонов.
Вынужденное излучение происходит, когда фотоны уже присутствуют в системе. Волновая функция действует как своеобразная заряженная жидкость, и амплитуды излучения складываются когерентно.
Спонтанное излучение возникает, когда в исходном состоянии не было фотонов, но они рождаются в результате измерения. В этом случае излучение некогерентно.
Когда измеряется проекция спина частицы, излучение определяется магнитным моментом частицы. Интересно, что если спин частицы не меняется в результате измерения (так называемое квантовое неразрушающее измерение), то излучение отсутствует.
При измерении импульса частицы излучение напоминает краевое излучение от пучка частиц с определенным импульсом. В случае измерения координаты излучение возникает из-за резкого изменения волновой функции частицы в пространстве.
Если две частицы запутаны по спину, то измерение спина одной из них может привести к излучению, которое создается только в области, где находится измеряемая частица. Вторая частица, хотя и запутана, ничего не излучает.
Полный текст статьи «Излучение дираковских фермионов, вызванное проективным измерением» опубликован в Physical Review D (Q1), см. также на arXiv.
Использованы текст и фото с сайта ФФ ТГУ