Нобелевскую премию по физике 2022 года дали за квантовую запутанность
Нобелевскую премию получили Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за новаторские эксперименты с использованием запутанных квантовых состояний, которые расчистили путь для новых технологий, основанных на квантовой информации.
Квантовая запутанность — физическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Происходящее с одной частицей в запутанной паре, определяет то, что происходит с другой, даже если они находятся слишком далеко, чтобы влиять друг на друга. Суть её в том, что измерение какого-либо параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) получением информации о состоянии другой. Это явление и возможность его использования служили источником многолетних дискуссий, в том числе и с участием Альберта Эйнштейна, который считал этот эффект невозможным.
В последние десятилетия стало ясно, что казавшиеся не имеющими никакой практической пользы явления квантовой механики, связанные квантовой запутанностью, всё же начинают находить применение. В настоящее время уже существует обширная область исследований, включающая квантовые компьютеры, квантовые сети и безопасную связь с квантовым шифрованием, где они используются. Оказалось, что запутанные квантовые состояния обладают большим потенциалом для создания новых способов хранения, передачи и обработки информации. Большую роль в развитии этого направления исследований сыграли работы новых нобелевских лауреатов Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера, которые своими экспериментами не только решили ряд фундаментальных вопросов интерпретации квантовой механики, но и открыли дорогу новым технологиям. Разработка лауреатами экспериментальных инструментов заложила основу для будущих квантовых технологий. Каждый из них получил треть нобелевской премии с формулировкой «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».
Одним из ключевых факторов движения от теории к технологии стало понимание, что из себя представляет так называемое запутанное состояние, как квантовая механика позволяет двум или более частицам существовать в нём. Как то, что происходит с одной из частиц в запутанной паре, определяет происходящее с другой частицей, даже если они находятся далеко друг от друга.
Долгое время оставался открытым вопрос: есть ли некая скрытая связь запутанных частиц, незаметно от нас сообщающая им, какой результат они должны дать в эксперименте. Теоретически это означает наличие скрытых переменных, о которых нам ничего неизвестно. В 1960-х годах Джон Стюарт Белл разработал математическое неравенство, названное в его честь. Оно утверждало, что при наличии скрытых переменных корреляция (характеристика связи) между результатами большого количества измерений никогда не превысит определенного значения. Однако квантовая механика предсказывала, что определенный тип эксперимента может нарушить неравенство Белла, что означает наличие более сильной корреляции и, как следствие, отсутствие скрытых переменных и связей.
Американский физик Джон Клаузер (John Clauser) развил идеи Белла и провёл эксперимент (1972), который явно нарушил неравенство Белла. Это было первое экспериментальное наблюдение нарушения неравенства Белла. Клаузер показал, что квантовую механику нельзя заменить теорией, использующей скрытые переменные. Однако некоторые вопросы всё ещё оставались.
Существовали "лазейки", с помощью которых оппонент мог подвергнуть сомнению полученные результаты: что, если экспериментальная установка каким-то образом выбрала частицы, у которых оказалась сильная корреляция, и не обнаружила другие? Если это так, частицы все еще могут нести скрытую информацию. Французский физик, профессор Университета Париж-Сакле и Политехнической школы, Ален Аспе (Alain Aspect) разработал установку, закрывшую важнейшую лазейку. Для этого он смог придумать механизм переключения настройки измерения за несколько миллиардных долей секунды после того, как запутанная пара покинула свой источник, поэтому настройка, существовавшая в момент их испускания, не могла повлиять на измерения. Его эксперимент дал очень четкий результат: квантовая механика верна и скрытых переменных нет
Заслуга последнего из награждённых исследователей Антона Цайлингера (Anton Zeilinger) в том, что он начал использовать запутанные квантовые состояния, используя усовершенствованные инструменты и длинную серию экспериментов. Среди прочего, его исследовательская группа продемонстрировала явление, называемое квантовой телепортацией, которое позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии. Это единственный способ передать квантовую информацию из одной системы в другую без потери какой-либо ее части и важная часть будущих информационных технологий.
Благодаря нынешним нобелевским лауреатом нас в будущем ждёт ещё немало интересных открытий.
