У казці Льюїса Керролла посмішка Чеширського кота існувала окремо від самого кота. Виявилося, що магнітне поле нейтрону може подорожувати окремо від самого нейтрона.
З самого початку свого існування квантова теорія подарувала світу цілий букет нез'ясовних і вражаючих уяву явищ, таких як корпускулярно-хвильовий дуалізм, кіт Шредінгера і квантова нелокальність. Тепер фізики довели існування ще одного парадоксального явища квантової механіки, яке вони назвали: «квантовим Чеширським котом». Суть його полягає в тому, що квантова система в певних умовах може поводитися так, як ніби частинки і їх властивості просторово розділені. Іншими словами, у квантовому світі можливе неможливе - об'єкт може бути відокремлений від своїх властивостей. Назва явища навіяно знаменитою книгою Льюїса Керролла «Пригоди Аліси в країні чудес», де Аліса зустрічає Чеширського кота, який зникає, залишаючи після себе одну тільки посмішку.
У роботі міжнародної команди фізиків, опублікованій 29 липня 2014 року в журналі Nature Communications, було запропоновано використовувати слабкі вимірювання для вивчення «Чеширського кота» на прикладі нейтронів. В експерименті з використанням нейтронного інтерферометра проводився поділ пучка нейтронів на два пучки, що йдуть різними шляхами, і виконувалися слабкі вимірювання місця розташування частинок і їх магнітного моменту (спина). Експериментальні результати показують, що система веде себе так, як якщо б нейтрони проходять по одному шляху, в той час як їх магнітний момент подорожує іншим шляхом. Таким чином, коти-нейтрони знаходяться в іншому місці, ніж їхні посмішки-спини.
Ідею слабкого виміру запропонував 1988 року ізраїльський фізик Якір Ааронов з колегами. Її суть в тому, що слабкий вимір не сильно змінює спостережувану систему. Тут треба згадати, що в квантовій механіці будь-який вимір змінює стан спостережуваного об'єкта. Але за все потрібно платити, слабкі вимірювання показують поведінку великої кількості частинок в однаковому стані і не можуть давати інформацію про окрему частинку. Зате вони застосовні там, де пасують звичайні вимірювання. Слабкі вимірювання особливо працездатні у випадку, коли розглядається еволюція систем із заданими початковим (зумовленим) і кінцевим (після-визначеним) станами, який реалізований у розглянутому експерименті.
Ідея квантового Чеширського кота була вперше розроблена саме Якіром Аароновим, який у 2013 році запропонував спосіб використання слабких вимірювань для його виявлення, і Джеффом Толлаксеном з Університету Чепмена (США), одним з авторів роботи. Даний експеримент, що вперше довів існування цього явища, був проведений на джерелі нейтронів в інституті Лауе-Ланжевена в Греноблі за участю фахівців з Віденського технологічного університету, які розробили унікальну вимірювальну установку.
В експерименті на нейтринному інтерферометрі (див. малюнок «Схема експериментальної установки») пучок нейтронів, що має напрямки спинів вгору і вниз, проходить через ідеальний кристал кремнію (Р) і розділяється на дві частини. Далі залишається поляризований пучок, в якому всі нейтрони мають однаковий напрямок спину (вгору на малюнку). Спиновращатель ST1 повертає спин уздовж траєкторії руху. Потім у блоці SRs створюються два пучки з орієнтацією спинів у різні боки: Перший пучок нейтронів має спин уздовж траєкторії нейтронів, спин другого пучка спрямований у протилежному напрямку (визначені стани). Після проходження різними шляхами обидва пучки об'єднують (PS), і спостерігають інтерференцію пучків, відстежуваних H і O детекторами (Det)
У детекторі О (O-Det) реєструють тільки нейтрони, які мають спин уздовж напрямку руху (після-визначений стан). Всі інші просто ігноруються. Цілком очевидно, що ці нейтрони повинні були подорожувати першим шляхом, оскільки тільки там, нейтрони мають такий спиновий стан. Це доводиться в експерименті по черзі установкою на кожен шлях фільтра (ABS), що поглинає невелику частину нейтронів. Якщо другий пучок пропускається через фільтр, регістрована кількість нейтронів залишається незмінною. Якщо перший промінь направляється через фільтр, число цих нейтронів зменшується (на малюнок показано фільтр на першому шляху).
«Дивацтва» починаються при спробі визначити, де знаходиться нейтронний спин. Для цього напрямок спинів злегка змінюється за допомогою магнітного поля. Коли два пучки зводяться належним чином, вони інтерферують і можуть посилювати або придушувати один одного. Невелика зміна спин повинна призводити до зміни інтерференційної картини. Виявилося, що магнітне поле, додане до першого пучка, не справляє ніякого ефекту! Зате, якщо його докласти до другого пучка, який не містить реєстрованих нейтронів, потрібний ефект з'являється.
Таким чином, на першому шляху, самі частинки взаємодіють з вимірювальним приладом, але тільки інший шлях чутливий до взаємодії з магнітним полем. Система веде себе так, як якби частинки були просторово відокремлені від їх магнітних властивостей.
Цей неймовірний ефект має, тим не менш, і практичну цінність для підвищення точності вимірювань на квантових масштабах, які дуже часто засновані на принципі квантової інтерференції. Справа в тому, що електромагнітні шуми, впливаючи на спини частинок, вносять спотворення у вимірювання. Відокремлення спина від частинки дозволить звести такі спотворення до мінімуму. Наприклад, це допоможе проводити гравітаційні вимірювання на мікрорівні.
За матеріалами Віденського технологічного університету