Можно ли обнаружить частицу без передачи энергии?

Для любого обнаружения требуется сигнал, который, в свою очередь, требует энергии. Вы не можете обнаружить, не беря энергию из сигнала!

Мы можем использовать кубит в качестве детектора частиц, который не изменяет энергию частиц. Это можно реализовать следующим образом. Мы начинаем с кубита, инициализированного в состоянии$\left|0\right>$и применяем вентиль Адамара$U$который действует следующим образом:

Обратите внимание, что$U$является обратным самому себе, поэтому применяя$U$снова вернет кубит в состояние$\left|0\right\rangle$мы начали с. Но теперь рассмотрим, что произойдет, если в течение времени, которое кубит будет суперпозицией$\left|0\right\rangle$а также$\left|1\right\rangle$частица сталкивается с ним, но так, что обмен энергией не происходит. Тогда кубит запутается с частицей, поэтому система кубит-частица будет в состоянии вида:

где государства$\left|D_{i}\right\rangle$- состояния частицы после рассеяния кубита в состоянии$\left|i\right\rangle$. Вы можете подумать, что, поскольку взаимодействие вообще не повлияло на кубит, мы не можем выполнить измерение состояния кубита, чтобы выяснить, взаимодействовал ли он с частицей. Но посмотрите, что произойдет, если мы снова применим вентиль Адамара к кубиту:

куда$D^{\pm} = \frac{1}{2}\left[\left|D_0\right\rangle\pm\left|D_1\right\rangle\right]$

Таким образом, если бы не было взаимодействия, кубит вернулся бы в исходное состояние.$\left|0\right\rangle$но теперь мы получаем запутанное состояние кубита и частицы, так что теперь существует конечная вероятность нахождения кубита в состоянии$\left|1\right\rangle$, несмотря на то, что столкновение с частицей произошло чисто упругим образом и никак не повлияло на физическое состояние кубита в момент столкновения. Вероятность нахождения кубита в состоянии$\left|1\right\rangle$является$\frac{1}{2}\left[1-\operatorname{Re}\left\langle D_0\right|D_1\left.\right\rangle\right]$, так что это зависит от перекрытия между двумя состояниями частиц, соответствующими рассеянию кубита в двух состояниях суперпозиции.

Если государства$\left|D_i\right\rangle$ортогональны, то у вас есть 50% вероятность найти кубит в состояниях$\left|0\right\rangle$а также$\left|1\right\rangle$; матрица плотности после отслеживания состояния частицы равна$\frac{1}{2}\left[\left|0\right\rangle\langle 0| + \left|1\right\rangle\langle 1|\right]$.

Как правило, чтобы обнаружить набор возбужденных квантовых состояний, вы должны ввести энергию, необходимую для возбуждения мод гармонического осциллятора этих состояний. Если вы хотите обнаружить частицу Хиггса, которая возникает при$125$Энергия ГэВ вам нужна, чтобы передать эту энергию вакууму, возбуждая виртуальные моды посредством взаимодействия с как минимум такой энергией. Существуют также дополнительные последствия точности измерений, которые затем требуют гораздо больше энергии, чтобы сделать сигнал надежным. Похоже, что Fermilab Tevatron обнаружил частицы Хиггса на уровне энергии ТэВ, но статистика была недостаточно хороша, чтобы заявить об обнаружении. Теперь перейдем к шкале Планка, где для обнаружения квантовой гравитации вам нужно возбудить моды, которые$10^{19}$ГэВ в энергетических щелях, скажем, от вакуума до генерации квантов черной дыры. Чтобы проводить эксперименты по квантовой гравитации, это означает, что нужно иметь энергию взаимодействия в этом масштабе. Это делает квантовую гравитацию очень сложной или невозможной для лабораторных исследований.

Есть и другие, более тонкие способы обнаружения вещей. Лэмбовский сдвиг — это низкоэнергетическое обнаружение процессов КЭД, которые расщепляют энергетические уровни в атоме. Лэмбовский сдвиг находится в микроволновом диапазоне, который находится далеко в ИК-диапазоне от энергетической щели$^2S_{1/2}$а также$^2P_{1/2}$энергетические уровни. Это по-прежнему включает обнаружение возбужденного состояния, но с гораздо меньшей энергией, чем основная энергетическая щель теории. В случае квантовой гравитации эти промежутки являются образованием излучения Хокинга, которое гораздо более ИК, чем энергия Планка. Для стандартной модели физики это может происходить в виде тонких поправок к электронным состояниям атомов, поскольку волновая функция имеет небольшие «экспоненциальные хвосты» в ядре, поэтому могут быть слабые нейтральные токи, которые возмущают электронные состояния. Подобные предложения были еще в 1970-х годах, но я не уверен, что из этого вышло.

Есть и другие тонкие измерения, такие как слабые квантовые измерения. В конце концов, нужно иметь детектор, который регистрирует напряжение. Некоторые измерения не требуют напряжения, например, использование поляризации электрического вектора в фотонах для «неизмерения» скрытой бомбы. Однако, если бомбы нет, гомодинный детектор регистрирует напряжение. Вероятно, физически невозможно что-то измерить без какой-либо связи, которая может передавать энергию или импульс в состояние детектора или иглы.

Вы можете сделать этот тип косвенных измерений. Представьте, что вы хотите обнаружить, например, распад уровня электрона: это было бы так же просто, как проверить, был ли испущен фотон или нет. Вы бы брали энергию не у электрона , а у фотона.

Re: передача отрицательной энергии - например, электрон, ускоренный в электрическом поле, берет измеримое количество энергии из поля, которое можно обнаружить.

Чтобы сделать обнаружение, вам нужно изменить состояние чего-то. Энергия — это просто абстрактная величина, используемая для отслеживания процессов и изменений состояния. Поэтому естественно, что вам всегда будет нужна энергия, чтобы что-то обнаружить.