В 2022 году Нобелевскую премию по физике вручили Алену Аспе (Alain Aspect), Джону Клаузеру (John Clauser) и Антону Цайлингеру (Anton Zeilinger) за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике. В Нобелевском комитете отметили, что открытия лауреатов этого года продемонстрировали потенциал для исследования и контроля частиц, находящихся в запутанных состояниях. То, что происходит с одной частицей в запутанной паре, определяет то, что происходит с другой, даже если они находятся настолько далеко, что физически не могут влиять друг на друга. Разработка лауреатами экспериментальных инструментов заложила основу для новой эры квантовых технологий. Церемонии вручения премии пройдёт в Стокгольме (где родился Альфред Нобель) 10 декабря (день его смерти). На ней также будут присутствовать лауреаты 2020 и 2021 годов, так как тогда официальную часть отменяли из-за коронавируса.
Что, если цвета не существует?
Основы квантовой механики — это не просто теоретический или философский вопрос, как бывает с другими сложнейшими разделами физики. 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. Практически все разработки основаны на том, что квантовая механика позволяет двум или более частицам существовать в общем состоянии, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. Это называется запутанностью и является одним из самых обсуждаемых элементов с тех пор, как была сформулирована теория. Ещё Альберт Эйнштейн говорил о жутких и необъяснимых взаимодействиях частиц на расстоянии, а Эрвин Шредингер сказал, что это самая важная черта квантовой механики.
Когда две частицы находятся в запутанных квантовых состояниях, тот, кто измеряет свойство одной частицы, может немедленно определить результат эквивалентного измерения другой частицы без необходимости проверки. Долгое время вопрос заключался в том, было ли взаимодействие связано с тем, что частицы в запутанной паре содержали скрытые переменные, то есть инструкции, сообщающие им, какой результат они должны дать в эксперименте. Например, если в коробку положить два шара — один белый и один чёрный — и выстрелить ими в противоположные стороны, то человек, поймавший белый шар, будет знать, что с другой стороны кто-то поймал чёрный. Однако квантовая механика задаётся вопросом: «а был ли цвет у обоих шаров, пока на них не посмотрели»? Как будто оба шара серые до тех пор, пока кто-нибудь не посмотрит на один из них, и тогда срабатывает какой-то маркер, говорящий, какого цвета они должны становиться.
От парадокса к неравенству
Интересно, что если один шар стал чёрным, то второй станет белым мгновенно. Это противоречит всем обычным представлениям о причине и следствии, а также природе реальности. Как на что-то может повлиять событие, происходящее где-то в другом месте, и при этом до него не доходит какой-либо сигнал от него? Сигнал не может двигаться быстрее света, но в квантовой механике сигнал не нужен для соединения различных частей расширенной системы. Альберт Эйнштейн считал это невозможным и исследовал это явление вместе со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном. Они представили свои рассуждения в 1935 году: квантовая механика не дает полного описания реальности. Это стало называться парадоксом ЭПР по инициалам исследователей.
Вопрос заключался в том, может ли быть более полное описание мира, где квантовая механика лишь одна часть. Это могло бы, например, работать через частицы, всегда несущие скрытую информацию о том, что они покажут в результате эксперимента. Все измерения затем показывают свойства, которые существуют именно там, где проводятся измерения. Этот тип информации часто называют локальными скрытыми переменными. В 1960-х годах Джон Стюарт Белл разработал математическое неравенство, названное в его честь. Неравенства Белла позволяют определить, является ли мир чисто квантово-механическим или может быть другое описание со скрытыми переменными. Из них следовало, что при наличии скрытых переменных корреляция между результатами большого количества измерений никогда не превысит определенного значения. Джон Клаузер тогда ещё был студентом, но его очень заинтересовали основы квантовой механики и идеи Белла. Это привело к тому, что он смог придумать реалистичный тип эксперимента, который можно использовать для проверки неравенств Белла.
Эксперимент включает отправку пары запутанных частиц в противоположных направлениях. На практике используются фотоны, обладающие свойством, называемым поляризацией. Когда частицы испускаются, направление поляризации не определено, и всё, что можно сказать наверняка, это то, что частицы имеют параллельную поляризацию. Определить её можно с помощью фильтра, пропускающего поляризацию, ориентированную в определённом направлении. Этот эффект используется во многих солнцезащитных очках, которые блокируют свет, поляризованный в определенной плоскости.
Если обе частицы в эксперименте направить на фильтры, ориентированные в одной плоскости, например, вертикально, и одна проскользнет — то пройдёт и другая. Если они находятся под прямым углом друг к другу, один будет остановлен, а другой пройдет. Хитрость заключается в измерении с фильтрами, установленными в разных направлениях под скошенными углами, так как тогда результаты могут различаться: иногда проскальзывают оба, иногда только один, а иногда ни один. Насколько часто обе частицы проходят через фильтр, зависит от угла между фильтрами.
Квантовая механика приводит к корреляции между измерениями. Вероятность прохождения одной частицы зависит от угла наклона фильтра, который тестировал поляризацию своего партнера на противоположной стороне экспериментальной установки. Это означает, что результаты обоих измерений под некоторыми углами нарушают неравенство Белла и имеют более сильную корреляцию, чем если бы результаты определялись скрытыми переменными и были бы уже предопределены, когда частицы испускаются. В 1972 году Джон Клаузер вместе со Стюартом Фридманом (1944–2012) провели этот эксперимент. Результат явно нарушал неравенство Белла и согласовывался с предсказаниями квантовой механики. Получается, что на уровне мельчайших частиц природа ведёт себя так, как предсказывает квантовая механика. Частицы являются «серыми», без какой-либо секретной информации, и какая из запутанной пары станет чёрной в ходе эксперимента определяет случайность (другая автоматически становится белой).
Однако чистоту эксперимента сразу же подвергли сомнению. Что, если экспериментальная установка (конструкция которой сильно критиковалась) каким-то образом выбрала частицы, у которых оказалась сильная корреляция, и не обнаружила другие? Если это так, частицы всё ещё могут нести скрытую информацию. Устранить все лазейки было сложно, потому что переплетенные квантовые состояния очень хрупкие и ими трудно управлять. Единственным, кто не испугался попробовать усложнить эксперимент до работы с отдельными фотонами, стал Ален Аспе. Кроме того, в своём эксперименте он регистрировал фотоны, прошедшие через фильтр, а также и те, которые через него не прошли. Он также смог направить фотоны на два разных фильтра, установленных под разными углами. А изюминкой стал механизм, который менял направление запутанных фотонов уже после того, как они были созданы и выпущены из своего источника.
Фильтры находились всего в шести метрах, поэтому переключение должно было произойти за несколько миллиардных долей секунды. Если бы информация о том, к какому фильтру попадёт фотон, влияла на то, как он испускается из источника, он не достиг бы этого фильтра. Информация о фильтрах на одной стороне эксперимента также не могла попасть на другую сторону и там повлиять на результат измерения. Таким образом, Ален Аспе закрыл важную лазейку и дал очень чёткий ответ: квантовая механика верна и скрытых переменных нет.
Запутанные квантовые состояния как способ хранения, передачи и обработки информации
Интересное происходит, если частицы в запутанной паре движутся в противоположных направлениях, а затем одна из них встречает третью частицу таким образом, что они запутываются. Они входят в новое общее состояние. Третья частица теряет свою идентичность, но её первоначальные свойства теперь передаются одиночной частице от исходной пары. Такой способ передачи неизвестного квантового состояния от одной частицы к другой называется квантовой телепортацией. Этот тип эксперимента был впервые проведён в 1997 году Антоном Цайлингером и его коллегами.
Примечательно, что квантовая телепортация — единственный способ передать квантовую информацию из одной системы в другую без потери какой-либо её части. Совершенно невозможно измерить все свойства квантовой системы, а затем отправить информацию получателю, который хочет реконструировать систему. Это связано с тем, что квантовая система может содержать несколько версий каждого свойства одновременно, где каждая версия имеет определенную вероятность появления во время измерения. Как только измерение проведено, остается только одна версия, а именно та, которую считывал измерительный прибор. Остальные исчезли, и узнать о них что-либо невозможно (как с котом Шрёдингера — пока он находится в коробке, он и жив, и мёртв одновременно, но как только мы открываем коробку, кот может находиться только в одном состоянии и к другому уже добраться не выйдет). Однако совершенно неизвестные квантовые свойства могут быть переданы с помощью квантовой телепортации и проявиться нетронутыми в другой частице, но ценой их разрушения в исходной частице.
Как только это было показано экспериментально, следующим шагом было использование двух пар запутанных частиц. Если по одной частице из каждой пары сблизить определённым образом, невозмущенные частицы в каждой паре могут запутаться, несмотря на то, что они никогда не соприкасались друг с другом. Этот обмен запутанностью был впервые продемонстрирован в 1998 году исследовательской группой Антона Цайлингера.
Запутанные пары фотонов (частиц света) могут быть отправлены в противоположных направлениях по оптическим волокнам и функционировать как сигналы в квантовой сети. Запутанность между двумя парами позволяет увеличивать расстояния между узлами в такой сети. Существует предел расстояния, на которое фотоны могут быть отправлены через оптическое волокно, прежде чем они будут поглощены или потеряют свои свойства. Обычные световые сигналы можно усиливать по пути, но с запутанными парами это не работает. Усилитель должен улавливать и измерять свет, который разрушает запутанность. Однако обмен запутанностью означает, что можно отправить исходное состояние дальше, тем самым передавая его на более длинные расстояния, чем это было бы возможно в противном случае.
К чему это привело
В настоящее время продемонстрированы запутанные квантовые состояния между фотонами, которые были отправлены через десятки километров оптического волокна, а также между спутником и наземной станцией. За короткое время исследователи всего мира нашли множество новых способов использования самого мощного свойства квантовой механики. Первая квантовая революция открыла человечеству транзисторы и лазеры, но теперь грядёт новая эра благодаря современным инструментам для управления системами запутанных частиц. Это основа для квантовых вычислений, передачи и хранения квантовой информации и алгоритмов квантового шифрования.
Лауреаты этого года исследовали запутанные квантовые состояния, и их эксперименты заложили основу революции, происходящей в настоящее время в квантовых технологиях. Джон Клаузер развил идеи Джона Белла, что привело к практическому эксперименту. Ален Аспе разработал установку, с помощью которой были закрыты все лазейки первых тестов. Он закрыл вопрос о том, что квантовая теория верна, а скрытых переменных не существует. Используя усовершенствованные инструменты и длинную серию экспериментов, Антон Цайлингер начал использовать запутанные квантовые состояния и открыл квантовую телепортацию, которая позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии. Теперь эффекты квантовой механики начинают находить практическое применение. В настоящее время существует обширная область исследований, включающая квантовые компьютеры, квантовые сети и безопасную связь с квантовым шифрованием.
