В Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии 2022 года по физике. Ими стали француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Цайлингер. Премия присуждена за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».
Как сообщает Нобелевский комитет, «их результаты расчистили путь для новых технологий, основанных на квантовой информации».
Даже Эйнштейн считал это невозможным
Иногда кажется, что Нобелевскую премию можно давать уже за то, что человек разбирается в квантовой физике. Для обывателя это тёмный лес, а ещё точнее — какой-то инопланетный мир. Как, например, вообразить себе, что частица может одновременно находиться в двух разных состояниях? А ведь в квантовой физике именно так и происходит! Или, допустим, как понять, что для квантовой телепортации необходимо создать два фотона в так называемом «переплетённом» состоянии, которое будет включать в себя все возможные состояния первоначального фотона?
Квантовая запутанность — явление из того же непростого для понимания ряда, хотя его принцип объяснить проще. При запутанности квантовые состояния нескольких объектов (частиц) оказываются взаимозависимыми, даже если эти объекты разнесены в пространстве. Всё ещё непонятно? Призовём на помощь юмор, которым славятся физики. Когда вы натягиваете один носок из пары на левую ногу, второй автоматически становится правым, причём моментально, где бы он ни находился. В этом и есть суть квантовой запутанности.
Осознание того, что части системы, отделённые друг от друга, действуют как единое целое, обескураживает и отдаёт мистикой. Это противоречит обычным представлениям о причинах и следствиях, да и о самой природе реальности. Как может на что-то мгновенно повлиять событие, происходящее где-то в другом месте, откуда не может дойти какой-либо сигнал? Никакой сигнал не способен двигаться быстрее света, но, оказывается, в квантовой механике он и не нужен: различные части расширенной системы взаимодействуют на иных принципах. Вероятно, вас утешит, что даже великий Альберт Эйнштейн считал это невозможным и исследовал явление вместе с коллегами, пока не пришёл к выводу, что квантовая механика не даёт полного описания реальности.
В 1960-е годы североирландский физик Джон Стюарт Белл, изучая эту научную проблему, разработал математическое неравенство, названное в его честь. В квантовой механике неравенство Белла может нарушаться. Этому и посвящены работы нобелевских лауреатов Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера. Они показали, что природа ведёт себя так, как предсказывает квантовая механика.
Эксперименты подтвердили теорию
Американец Джон Клаузер развил идеи Джона Белла, что привело его к практическому эксперименту. Он сконструировал аппарат, испускавший два запутанных фотона одновременно. Каждый из них направлялся к фильтру, который проверял их поляризацию. Результаты эксперимента согласовывались с предсказаниями квантовой механики, но оставались некоторые лазейки, которые подвергали их сомнению.
Французский физик Ален Аспе построил новую версию лабораторной установки, пытаясь прикрыть эти лазейки. Измерения стали точнее и подтвердили: квантовая механика верна. Третий лауреат, австриец Антон Цайлингер, позже провёл дополнительные проверки неравенств Белла. Он начал использовать запутанные состояния и среди прочего продемонстрировал ту самую квантовую телепортацию, которая позволяет передавать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстояниях. В одном эксперименте, стремясь добиться случайности для переключения между настройками измерения (проще говоря, создать «генератор случайных чисел»), Цайлингер даже использовал сигналы от далёких галактик.
Применяя новаторские подходы в экспериментах, Клаузер, Аспе и Цайлингер показали, как можно изучать квантовые частицы, находящиеся в запутанных состояниях. И подтвердили: то, что происходит с одной из них, определяет то, что происходит с другой, даже если они находятся слишком далеко друг от друга.
Где это пригодится?
Работы нобелевских лауреатов заложили основу для новой эры квантовых технологий. «Основы квантовой механики — это не просто теоретический или философский вопрос, — сказано в заявлении Нобелевского комитета. — В настоящее время ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на использование особых свойств отдельных систем частиц для создания квантовых компьютеров, улучшения измерений, создания квантовых сетей и установления безопасной связи с квантовым шифрованием. Мы вступаем в новую эру благодаря современным инструментам для управления системами запутанных частиц».
Иначе говоря, сложная и непонятная квантовая запутанность стала мощным инструментом для прикладного применения. Она позволит создать новые способы хранения, передачи и обработки информации.
