Физики предлагали сделать квантовый позитрон-эмиссионный томограф, над этим работали несколько групп в мире, в том числе группа сотрудников отдела экспериментальной физики Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) под руководством академика Игоря Ткачева. Ученые рассчитывали, что благодаря квантовой запутанности можно удалить фоновые события, которые создают врачам помехи при интерпретации снимков (равномерный фон, на котором светится пятно). Однако новейшие исследования показали, что это невозможно по фундаментальным причинам.
Фото: Ивашкин / ИЯИ РАН
Фото: Ивашкин / ИЯИ РАН
Идее использовать явление квантовой запутанности для медицины — создания квантово-запутанных позитрон-эмиссионных томографов (ПЭТ) — уже более десяти лет. Аннигиляционные фотоны и так используются в ПЭТ для диагностики онкологии и кардиологических заболеваний: обычно позитроны локализуются в опухоли, и при их аннигиляции с электронами возникают два аннигиляционных гамма-кванта, которые и регистрирует аппарат. Радиоактивный изотоп, который излучает позитроны, впрыскивается врачом в кровь вместе с глюкозой. Последняя притягивается раковыми клетками в очень большом количестве (раковые клетки агрессивно делятся и все время нуждаются в «энергетической подпитке»). Поэтому на снимке выделяется место, где скапливаются изотоп и глюкоза — опухоль. При этом опухоль может быть не видна на компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ), а на снимке ПЭТ она обнаруживается благодаря излучению аннигиляционных гамма-квантов. Самую лучшую точность дает метод ПЭТ-КТ, где совмещены методы ПЭТ и компьютерной томографии.
Идея была в том, что если гамма-кванты рассеиваются в теле человека, то их пары теряют корреляцию между собой. Вначале, как только возникают два аннигиляционных гамма-кванта, они обладают очень сильной корреляцией благодаря противоположной поляризации. Физики думали, что если произойдет фоновое рассеяние гамма-квантов, то они потеряют корреляцию и, накладывая кинематические ограничения на корреляции, можно будет подавить фон.
В своей статье https://www.nature.com/articles/s41598-023-34767-8.pdf российские физики из ИЯИ РАН, по сути, «хоронят» идею создания квантово-запутанных ПЭТ и одновременно поднимают фундаментальные вопросы в теории квантовых измерений, которая широко используется в создании квантовых технологий, в частности в квантовых компьютерах.
«Наши измерения показали, что те декогерентные гамма-кванты, которые фоново рассеиваются в теле человека и теряют квантовую запутанность, по-прежнему обладают такой же корреляцией, что и изначальные запутанные фотоны. И, таким образом, в новых томографах принципиально невозможно удалить фон»,— объясняет Александр Ивашкин, старший научный сотрудник отдела экспериментальной физики Института ядерных исследований РАН. По его словам, в начале мая группа ученых из Хорватии, которая занималась квантовыми томографами, также подтвердила эти результаты. Фактически получается, что все эти десять лет физики пытались создать квантовые томографы, не измеряя свойств декогерентных (потерявших запутанность) фотонов.
С точки зрения науки это неожиданное открытие. Знаменитый ученый Дэвид Бом еще в 1950-х годах теоретически показал, что при рассеивании аннигиляционных фотонов корреляция должна исчезать. Но, поскольку основное внимание уделялось экспериментам с запутанными фотонами, на поведение декогерентных фотонов никто не смотрел. И до сих пор, 70 лет спустя, свойства таких декогерентных фотонов до конца не изучены.
Согласно квантовой теории, частицы в микромире могут существовать в запутанном состоянии. Несколько частиц описываются в таком случае одной волновой функцией. И эта волновая функция остается неизменной, даже если с течением времени частицы разлетаются на очень далекие расстояния друг от друга. Между ними есть корреляция или запутанность, которая сохраняется, даже когда частицы находятся далеко друг от друга. Аннигиляционные фотоны — одна из систем запутанных частиц. Альберт Эйнштейн критиковал эту теорию: реакция частиц на состояние друг друга означала бы, что они обмениваются информацией быстрее скорости света, что противоречит постулатам теории относительности.
Фото: Ивашкин / ИЯИ РАН
Фото: Ивашкин / ИЯИ РАН
Ирландский физик Джон Стюарт Белл еще в 1960-х годах предложил проверить правильность этой теории при помощи неравенства, которое сейчас называется теоремой или неравенством Белла. Он показал, что если неравенство выполняется, значит, в системе есть скрытые параметры, которые и объясняют такие корреляции. Экспериментально было обнаружено, что неравенство нарушается, а значит, квантовая запутанность действительно существует. Отметим, что сейчас неравенство Белла является краеугольным камнем в исследовании запутанных фотонов.
Основное применение феномен квантовой запутанности находит в квантовой оптике: применяют оптические фотоны от лазеров, они делятся в нелинейных кристаллах, образуют запутанные фотоны, и из них уже организуют квантовые системы. В 2022 году Нобелевскую премию по физике получили Ален Аспект (Франция), Джон Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия), которые в 1970–1980-х годах занимались изучением оптических запутанных фотонов. Премия была присуждена за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику».
К сожалению, аннигиляционные фотоны оказались на периферии научного поиска, хотя изначально именно с них пошло изучение запутанных фотонов в 1950-е годы, когда еще не умели делать запутанные оптические фотоны. Еще в 50–70-х годах прошлого века физики показали, что свойства аннигиляционных фотонов соответствуют запутанным: они друг друга чувствуют на расстоянии. Если вы меряете один фотон, то другой тут же приобретает противоположный спин, то есть получается «телепатическая» связь. Но потом об аннигиляционных фотонах забыли и вспомнили вновь только уже в начале 2010-х годов, когда решили сделать квантовые томографы.
Физики из ИЯИ РАН решили исследовать не прикладной аспект — создание нового вида томографов, а фундаментальный: что происходит в декогерентной системе, когда связь между аннигиляционными фотонами рвется. А рвется она, когда один из фотонов взаимодействует с веществом. Тогда у него возникает определенное состояние поляризации, а его парный фотон приобретает противоположное состояние поляризации. Российских ученых интересовал вопрос, какими свойствами будут обладать фотоны, которые подверглись этому декогерентному взаимодействию. Основная масса физиков считала, что корреляции будут только у запутанных фотонов, а у декогерентных фотонов такой корреляции не будет (они уже независимы друг от друга, поэтому никаких корреляций нет).
Чтобы сравнить корреляции между запутанными фотонами и декогерентными фотонами, физики поставили эксперимент: добавили сцинтиллятор (вещество, реагирующее на излучение) перед тем, как измерять фотоны в поляриметрах. То есть между фотонами искусственно разрывали связь. После этого физики мерили поляризацию с помощью так называемого комптоновского рассеяния (рассеяния фотона на свободном электроне). Фотон, когда рассеивается, вылетает перпендикулярно направлению поляризации. Поэтому, измеряя рассеянный фотон, можно узнать направление поляризации.
Неожиданно физики из ИЯИ РАН обнаружили, что корреляции между декогерентными фотонами остаются такими же, как и у запутанных фотонов. Это противоречило теоретическим работам, которые утверждают, что корреляции должны исчезнуть. В частности, противоречие возникает с теоремой Белла, согласно которой если состояние фотонов запутанное, то неравенство Белла должно нарушаться, а если декогерентное — то неравенство соблюдается. Полученные результаты поднимают много вопросов в теории квантовых измерений и требуют дополнительных исследований.
Таким образом, новая статья физиков из ИЯИ РАН отвечает (отрицательно) на вопрос о возможности создания нового поколения квантово-запутанных томографов, но в то же время поднимает много фундаментальных вопросов, относящихся к квантовым измерениям. Ученые надеются, что их дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования помогут решить возникшие вопросы.