№11 ноябрь 2022

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Нобелевские премии 2022 года. Квантово-запутанная премия. От невероятного эффекта до технологии

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Нобелевская премия по физике 2022 года вручена за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике». Лауреатами стали Джон Клаузер (США), Ален Аспе (Франция) и Антон Цайлингер (Австрия).

Джон Клаузер, первым осуществил экспериментальную проверку неравенства Белла в 1972 году. Фото: Peter Lyons/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0.
Ален Аспе в 1982 году первым провёл решающую экспериментальную проверку неравенства Белла, закрыв важнейшую лазейку локальности. Иcточник: Ecole polytechnique Universite Paris-Saclay/CC BY-SA 2.0.
Антон Цайлингер, открывший в 1997 году квантовую телепортацию, автор множества экспериментов по проверке и использованию квантовой запутанности. Фото: Jaqueline Godany/ Universitat Wien.

После трёх подряд премий, вручённых за исследование глобальных явлений, Нобелевский комитет ожидаемо повернулся в сторону микромира. В этом году Нобелевскую премию по физике получили исследователи, которые не только сумели своими экспериментами доказать реальность одного из самых загадочных эффектов квантовой механики — квантовой запутанности, против которой выступал сам Альберт Эйнштейн, но и расчистили путь для новых технологий, основанных на квантовой информации. Оказалось, что запутанные квантовые состояния обладают большим потенциалом для создания новых способов хранения, передачи и обработки информации. В последние десятилетия стало ясно, что казавшееся когда-то не имевшим никакой практической пользы явление начинает находить применение. В настоящее время уже существует обширная область исследований, включающая квантовые вычисления (квантовые компьютеры), квантовое моделирование, квантовую связь с квантовой криптографией, квантовую метрологию и зондирование, где оно используется. А ведь во время своих первых экспериментов Цайлингер в ответ на вопрос журналистов: «Для чего это нужно?» гордо отвечал, что делает это чисто из любопытства.

Хотя эксперты и не называли новых лауреатов в первых рядах претендентов на нынешнюю Нобелевскую премию, но и неожиданными их назвать нельзя. Имена Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера возникали в списках возможных лауреатов уже более десяти лет. В 2010 году они получили премию Вольфа по физике (присуждается в Израиле с 1978 года), которая имеет репутацию предвестника Нобелевской премии. Вслед за ней уже 16 человек получили Нобелевскую премию по физике и один — по химии. Мне кажется, Нобелевский комитет приурочил свой выбор к пятидесятилетию первого эксперимента Клаузера (1972), желая к тому же успеть наградить физиков, так много сделавших для развития нового направления исследований: им всем уже около 80 лет.

Чтобы оценить их заслуги, придётся заглянуть в историю и углубиться в одну из самых сложных для непрофессионалов физических теорий — квантовую механику. Разумеется, для полного понимания проблемы необходима серьёзная математическая подготовка. Известный американский астрофизик и популяризатор науки Карл Саган как-то заметил, что объём работы популяризатора науки, который требуется, чтобы донести хоть какое-то представление о квантовой механике до широкой аудитории, не прошедшей такой подготовки, пугает. Однако мы всё же постараемся обойтись без сложных математических деталей.

Созданная в середине 20-х годов XX века квантовая механика изменила наш взгляд на мир. Оказалось, что объекты микромира (фотоны, электроны и атомы), получившие название квантовых объектов, ведут себя совершенно иначе, чем тела окружающего нас большого, макроскопического мира. В отличие от них свойства квантового объекта изначально имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем однозначно сказать, где находится частица или куда направлен её спин, мы можем лишь вычислить вероятность конкретного местоположения или направления спина. Причём речь не о классической вероятности, которая связана с неполнотой знания об объекте. Чтобы пояснить это, вспомним широко распространённый пример случайного события в обычном мире: бросок монеты. Нам кажется, что выпадение «орла» или «решки» случайно. Однако если бы мы точно знали массу и размеры монеты, все детали воздействия на неё руки и воздуха, то смогли бы однозначно предсказать, какая сторона монеты выпадет. Так что тут имеет место случайность события из-за недостатка наших знаний о нём и невозможности его «просчитать». Но квантовые свойства объекта ведут себя иначе. Никакая сколь угодно полная и сверхточная информация о нём не позволяет заранее предсказать, например, направление спина. Только вероятности вариантов. Конкретное направление будет получено лишь в результате измерения...

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее