Нобелевскую премию по физике 2022 года вручили за изучение квантовой запутанности и технологий

«Квантовая физика настолько сложная, что ее никто не понимает», – писал нобелевский лауреат Ричард Фейнман. И это не удивительно, так как даже Альберт Эйнштейн относился к ней настороженно, называя феномен квантовой запутанности «сверхъестественным» и «жутким». В вероятностной природе квантовой механики сомневался ирландский физик-теоретик Джон Белл и другие основоположники этой теории.

Но несмотря на споры и разногласия, таинственный мир элементарных частиц стал драйвером современной цивилизации: интернет, компьютеры, смартфоны, лазеры, оптоволоконные сети и атомная энергетика существуют благодаря науке о квантах. Только представьте к чему могут привести дальнейшие открытия, которых с каждым годом становится все больше. Так, в 2022 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали стразу трое ученых, которые независимо друг от друга проводили эксперименты с запутанными фотонами, сенсорными технологиями и безопасной передаче информации. К слову, не обошлось без квантовой телепортации, но обо всем по-порядку.

Нобелевская премия 2022

Каждый год Шведская королевская академия наук отмечает выдающиеся открытия в разных областях науки, способствуя ее развитию и популяризации в обществе. Всего за несколько лет научно-технический прогресс позволил физикам подтвердить существование черных дыр и гравитационных волн, разработать физические модели климата Земли и даже обнаружить далекие экзопланеты на орбите солнцеподобных звезд – каждое из этих открытий удостоилось награды Нобелевского комитета.

Напомним, что Нобелевскую премию присуждают за открытия в области физиологии и медицины, физики, химии, экономических наук, литературы и миротворческой деятельности.

Квантовая запутанность возникает в тот момент, когда две или более частицы становятся связанными между собой.

В 2022 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер. Трое физиков удостоились награды за эксперименты по квантовой запутанности, в основе которых лежат труды таких выдающихся ученых как Нильс Бор, Альберт Эйнштейн и Джон Белл – все они хотели понять природу странного поведения элементарных частиц, способных находиться далеко друг от друга сохраняя между собой связь.

Как отмечают представители Шведской королевской академии наук, в будущем работы Аспе, Клаузера и Цайлингера сыграют важную роль в области квантовых вычислений и безопасной передачи данных, открывая новую главу в истории квантовой механики. Интересно, что исследователи работали независимо друг от друга пытаясь объяснить «жуткий» феномен запутанных элементарных частиц.

Запутанность и неравенство

Итак, согласно принципам квантовой механики, частицы могут существовать одновременно в двух местах или более, а также не приобретают формальных свойств до тех пор, пока за ними не наблюдают. Но стоит кому-то проследить за положением или «вращением» одной элементарной частицы, как он становится наблюдателем за ее партнером (вне зависимости от расстояния между частицами). Именно это взаимодействие делает квантовую механику похожей на магию. Но как разобраться в причинах этого явления?

Квантовая механика на примере обыкновенных мячей

Представим машину, внутри которой находятся два «запутанных» мяча и мы их не видим. Единственное, что о них известно – это серый цвет и две возможные характеристики – мячи могут быть только белого и черного цвета. Но стоит машине одновременно выбросить их в противоположных направлениях, как наблюдатель ловит мяч и видит что он белый – в эту же секунду второй мяч становится черным.

Объяснить это странное явление удалось с помощью «неравенства Белла», согласно которому частицы могут содержать секретную информацию или «скрытые переменные», определяющие их свойства. Если Белл прав, то в системе должны присутствовать скрытые параметры, подтверждая гипотезу локального реализма при которой физические объекты существуют и оказывают влияние на свое ближайшее окружение.

Безумные эксперименты

В 1972 году Джон Клаузер и его покойный коллега Стюарт Фридман решили проверить предположения Белла показав, что частицы, в данном случае фотоны, не содержат скрытой информации. Подход американских физиков заключался в передаче свойств одной частицы к другой, несмотря на большие расстояния между ними.

Если объяснять на мячах, то в приведенном выше сценарии скрытой информации об их свойствах не существует. При этом цвет мяча, попавшего в руки наблюдателя, будет определен случайно. Стоит ли говорить, что в 1970-е годы академическое сообщество не воспринимало всерьез подобные предположения.

Квантовая запутанность может объяснить как устроен мир на уровне атомов

Мой научный руководитель считал, что эксперименты с запутанностью – ужасная трата времени и что я разрушаю свою карьеру, — рассказал Клаузер в интервью The Washington Post.

К счастью, Клаузер не был единственным физиком, заигрывающим с запутанностью – его французский коллега Ален Аспе из Университета Париж-Сакле проводил похожие эксперименты в 1980-х, а Антон Цайлингер из Венского университета в 1990-х изучал запутанные квантовые системы, включающие в себя больше двух частиц. Он предположил, что запутанные состояния являются ключом к созданию новых способов хранения, передачи и обработки информации.

Квантовая информация

Представители Нобелевского комитета уверены, что в будущем новаторские эксперименты могут привести к созданию квантовой телепортации. Звучит провокационно, так что поясним – речь не идет о телепортации человека из одного места в другое, как, например, в сериале «Звездный Путь». Увы, но такая телепортация – удел научной фантастики.

Как объясняют Аспе, Клаузер и Цайлингер, феномен запутанности квантовых частиц может переносить информацию об объекте из одного места в другое, однако с крупными объектами подобное невозможно – на сегодняшний день ученые могут перемещать только частицы вне зависимости от их массы (из-за принципа организации атомов).

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2022 года: французский ученый Ален Аспе, физик из Австрии Антон Цайлингер и американский исследователь Джону Клаузер

Проведенные эксперименты показали, что поведение «запутанных» квантовых частиц полностью противоречит нашим представлениям о том, как должны вести себя независимые отдельные объекты», – указано в заявлении Нобелевского комитета.

Но что насчет квантовых технологий? В 2016 году бывший ученик Цайлингера Цзянь-Вей Пан возглавил китайскую группу исследователей, которая запустила на орбиту спутник Micius с парой фотонов, расстояние между которыми составило более 1000 километров и не изменило их запутанного состояния.

Квантовая телепортация позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой, являясь единственным способом передачи квантовой информации без единой потери.

Квантовая телепортация позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии.

В это трудно поверить, но подобная демонстрация квантовых свойств прокладывает путь к созданию новейших инструментов по передаче информации, тотально защищенной от «взлома». Исследователи надеются, что в будущем все больше устройств покинут лаборатории и покорят реальный мир. В конечном итоге потенциальное применение принципов квантовой механики кажется безграничным.

источник