Нобелевскую премию по физике 2022 года присудили Алену Аспе из Франции, Джону Клаузеру из США и Антону Цайлингеру из Австрии. Они удостоены награды «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».
Фото: Reuters / Benoit Tessier
Фото: AP / Terry Chea
Фото: AP / Theresa Wey
Читая этот текст с экрана, вы проводите эксперимент по проверке законов квантовой механики. Поскольку именно на этих законах основана работа микроэлектроники и оптоволоконных линий. Не так много теорий было проверено столь же массово и дотошно!
Безумный квантовый мир
Но какой бы успешной ни была квантовая физика, она остро конфликтует с нашей интуицией, взращенной в доисторических саваннах. Объясним это на примере местоположения элементарной частицы. Частица, предоставленная самой себе, не имеет определенных координат. Она как бы размазана по пространству. Но когда частица взаимодействует с макроскопическим телом (например, измерительным прибором), она локализуется в случайной точке. Правда, «в случайной» — не значит «в какой угодно с одинаковой вероятностью». Вероятность обнаружить частицу разная в разных точках. На предсказании этих вероятностей и строятся квантовые технологии.
Трудно уместить в голове мысль, что физическая величина не имеет определенного значения до того, как ее измерили. Неудивительно, что некоторые физики работали над более удобоваримыми для нашей интуиции версиями квантовой механики. Одна из них — теория скрытых параметров. Она утверждает, что квантовая случайность возникает лишь потому, что мы знаем не все параметры частицы. Ведь и результат падения монеты «случаен» только потому, что мы не удосужились выяснить все нужные характеристики монеты и броска.
До 1960-х годов казалось, что теория скрытых параметров всегда предсказывает ровно те же результаты экспериментов, что и обычная квантовая механика. В связи с этим большинство физиков относилось к ней как к архитектурному излишеству. Все изменилось в 1964 году благодаря Джону Беллу. Предложенный им эксперимент с запутанными фотонами позволяет различить две версии квантовой механики, по крайней мере в принципе.
Незримые узы
Частицы называются запутанными, или сцепленными друг с другом, если они входят в одну квантовую систему. Образно говоря, они представляют собой части единого целого (нам придется полагаться на метафоры, чтобы не быть погребенными под нагромождением формул). Измерив состояние одной частицы, мы получим некоторую информацию о состоянии другой. Эта связь сохраняется, даже если удалить частицы друг от друга на огромное расстояние.
Теория скрытых параметров утверждает, что состояние каждой частицы в паре с самого начала было предопределено, просто мы об этом не знали. Ничего удивительного, что результаты измерений согласованы. Допустим, вы купили в аэропорту Москвы коробку с ботинками. Открыв ее во Владивостоке, вы обнаружили только правый башмак. Тогда вы автоматически узнали, что в Москве остался левый.
А вот обычная квантовая механика утверждает, что запутанные частицы не похожи на ботинки из пары. Физическая величина приобретает определенное значение лишь в момент измерения. Тем не менее для запутанных частиц эти результаты взаимосвязаны. Даже если одно из этих измерений произошло в столице, а другое в Приморье. Даже если они были сделаны одновременно. Это одно из немногих явлений, которые, казалось бы, демонстрируют сверхсветовую передачу информации. На самом деле здесь нет противоречия с теорией относительности, но мы не будем углубляться в этот тонкий вопрос.
Победить неравенство
Вернемся к Джону Беллу. В 1969 году нынешний лауреат Джон Клаузер вместе с соавторами усовершенствовал построения Белла и получил схему, которую можно реализовать не только в принципе, но и технически. Вот в чем ее идея.
Приготовим пару из двух запутанных фотонов и отправим их в разные стороны. Один — в точку А (Алисе), другой — в точку Б (Бобу). Пусть Алиса и Боб каждый раз случайным образом и независимо друг от друга выбирают, какую характеристику частицы измерять (в реальных экспериментах речь шла о поляризации фотонов в разных направлениях). Повторим этот опыт много раз. Поскольку фотоны запутаны, между результатами Алисы и Боба будет некоторая корреляция (соответствие). Теория со скрытыми параметрами ограничивает эту корреляцию так называемыми неравенствами Белла. Обычная квантовая механика свободна от таких ограничений.
В 1972 году Джон Клаузер и Стюарт Фридман опубликовали результаты первой экспериментальной проверки неравенств Белла. Эти неравенства грубо нарушались. Теория скрытых параметров была опровергнута.
Однако неравенства Белла, как и любой теоретический результат, выведены при определенных предположениях. Например, что Алиса и Боб никак не влияют на решение друг друга, какую поляризацию фотона измерять в этот раз. Конечно, трудно представить, что два генератора случайных чисел договорились одурачить экспериментаторов. Но речь как-никак идет о проверке фундаментальных законов мироздания. Исследователи обязаны исключить все мыслимые, а желательно и немыслимые источники ошибок.
Ален Аспе в 1981–1982 годах и Антон Цайлингер в 1998 году провели новые, более надежные опыты. В их установках детекторы переключались за несколько наносекунд, прямо на лету фотонов. Чтобы Алиса могла повлиять на выбор Боба или наоборот, потребовался бы сверхсветовой сигнал, а он невозможен. Неравенства Белла снова безнадежно нарушились, и этот факт был установлен с куда большей точностью, чем в опытах 1970-х годов.
От вопросов к технологиям
Антон Цайлингер известен не только своими работами по проверке неравенств Белла. В 1997 году группа под его руководством впервые продемонстрировала квантовую телепортацию. Так называется передача квантовой запутанности от одной частицы к другой через посредство третьей.
Квантовая телепортация позволяет запутывать между собой частицы, которые никогда не встречались друг с другом и находятся буквально на разных концах провода (точнее, оптоволоконного кабеля). Это именно то, что нужно для связи с квантовым шифрованием.
Квантовый шифр невозможно взломать. Любое несанкционированное подключение разрушает запутанное состояние фотонов, после чего передача мгновенно прекращается. Линии квантовой связи уже протянулись между многими городами, например, Москвой и Санкт-Петербургом.
Еще одна область техники, где применяется запутанность,— квантовые компьютеры. Эти машины потенциально куда мощнее классических компьютеров. Пока они существуют только в виде не слишком впечатляющих прототипов, но кто знает, что будет через несколько десятилетий?
Фундаментальная наука ищет ответы на, казалось бы, самые отвлеченные вопросы. Но добытые ею знания снова и снова порождают технологии, словно сошедшие со страниц фантастических романов. И нынешняя Нобелевская премия по физике подчеркивает этот удивительный факт, который никогда нельзя упускать из виду.