Нобелевскую премию по физике в 2022 году получили квантовые физики Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство квантовой информационной науки». В переводе на человеческий язык — за эксперименты и исследования, которые привели к квантовой телепортации. Объясняем, что это.
Нобелевскую премию по физике в 2022 году получили квантовые физики Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство квантовой информационной науки». В переводе на человеческий язык — за эксперименты и исследования, которые привели к квантовой телепортации. Объясняем, что это.
Физическая теория должна предусматривать какие-либо результаты, иначе она нежизнеспособна и вообще не нужна. Но проблема в том, что наши основные теории, достаточно хорошо работающие в своих «мирах», начинают подходить, когда речь идет об их совместимости. В данном случае нам интересна теория относительности Альберта Эйнштейна, предполагающая макромир, и квантовая теория, предполагающая поведение микромира.
Квантовая механика — штука странная и загадочная, и сами ученые часто шутят на эту тему типа «если вам кажется, что вы понимаете квантовую механику, то вы не понимаете квантовую механику». Там полно коробок с какими-то странными живыми и мертвыми одновременно котами внутри. И еще более интересная тема, связанная с этими котами, — то, что Эйнштейн когда-то назвал «страховидным действием на расстоянии» (spooky action at distance).
Элементарные частицы находятся в состоянии суперпозиции — то есть, в нескольких состояниях одновременно. Как кот в воображаемом эксперименте Эрвина Шрёдингера — пока коробка закрыта, он одновременно жив и мертв. Когда крутится колесо, это движение точек на окружности, и движение вокруг своей оси. Узнать, в каком состоянии находится элементарная частица, можно лишь измерив ее.
Возьмем, например, спин — это свойство, которое есть только у квантовых частиц, что-то типа «собственного момента импульса». Если очень-очень примерно, частица крутится за и против часовой стрелки одновременно. Если ее измерить, начнет крутиться в одну сторону. Это кажется нелогичным и неправильным, и вспомните, как в голове одновременно носятся две противоположные мысли и приходится бросать висящую в воздухе монетку и вы не знаете, какой стороной она упадет. Так что метафорически квантовые частицы «висят в воздухе». И узнать их состояние — в какую сторону она крутится — без разрушающего суперпозицию измерения мы не можем.
И действительно, типа, можем.
Потому что существует такое свойство, как квантовая запутанность. То есть, определенным образом связав частицы в единую квантовую систему, мы, повторяя пример из предыдущего абзаца со спином, знаем: если одна частица крутится по часовой стрелке, другая крутится против часовой стрелки. То есть, эти частицы каким-то образом «знают», что «делает» другая частица. Если вы откроете свою коробку с котом и кот жив, значит вашему напарнику по эксперименту повезло меньше.
Но погодите, как такое вообще возможно? Это же получается, если одна частица будет на Земле, а другая в Малом Магеллановом облаке, то мы можем передать какую-то информацию быстрее, чем свет, а это несовместимо с теорией относительности, которая постулирует, что свет быстрее всего во Вселенной.
Это стало предметом статьи 1935 года Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена, а затем статей Эрвина Шрёдингера, описавших «парадокс ЭПР», или Эйнштейна-Подольского-Розена. Сущность его описана выше: квантовая запутанность нарушает местный реалистичный взгляд на причинность.
В 1964 году Джон Стюарт Белл написал статью «О парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена».
Эйнштейн, Подольский и Розен представили сценарий, предусматривающий подготовку пары частиц таким образом, чтобы квантовое состояние пара было запутано, а затем разделение частиц на произвольно большое расстояние.
Экспериментатор имеет выбор возможных измерений, которые можно произвести на одной из частиц. Когда они выбирают измерение и получают результат, квантовое состояние другой частицы, очевидно, мгновенно разрушается в новое состояние в зависимости от этого результата, независимо от того, насколько далеко другая частица.
Эйнштейн, Подольский и Розен утверждали, что квантовая механика является неполной, потому что она не дает полного описания физических характеристик частицы. То есть, электроны и фотоны должны обладать свойствами и атрибутами, не включенными в квантовую теорию. Поэтому квантовая механика и не может предусмотреть состояние частицы — из-за неизвестных «скрытых переменных».
Это означает, что запутанные частицы обладали каким-то неизмеренным — локальным — свойством, которое заранее определяло их конечное квантовое состояние до того, как их разделили. Или что они нарушают теорию относительности, потому что взаимодействуют быстрее света.
И кто прав?
Чтобы узнать, кто прав, Белл пошел дальше. Он обнаружил, что существует тип эксперимента, который может определить, является ли мир чисто квантово-механическим или может существовать другое описание со скрытыми переменными. Если его эксперимент повторяется многократно, все теории со скрытыми переменными показывают корреляцию между результатами, которая должна быть ниже или максимально равной определенному значению. Это называется неравенством Белла.
Ученые, получившие Нобелевскую премию по физике в 2022 году, развивали идеи Белла и работали над изучением квантовой запутанности.
Джон Клаузер создал аппарат, излучавший два запутанных фотона одновременно, каждый в направлении фильтра, проверявшего их поляризацию. В 1972 году вместе с докторантом Стюартом Фридманом он смог показать результат, явный нарушением неравенства Белла и соглашался с предвидениями квантовой механики.
Но в его эксперименте оставались лазейки: что если экспериментальная установка каким-то образом выбрала частицы, которые имели сильную корреляцию, и не обнаружила другие? Если да, то частицы все еще могут нести скрытую информацию. Устранить эту конкретную лазейку было сложно, поскольку переплетенные квантовые состояния столь хрупки, и ими трудно управлять; необходимо иметь дело с отдельными фотонами.
Французский докторант Ален Аспе создал новую версию установки, усовершенствованную в течение нескольких итераций. В своем эксперименте он мог зарегистрировать и фотоны, прошедшие через фильтр, и не прошедшие. Это означало, что было обнаружено больше фотонов и результаты измерений были лучше.
В финальном варианте своих испытаний он также смог направить фотоны к двум разным фильтрам, которые были установлены под разными углами. Таким образом Ален Аспе закрыл важную лазейку и дал очень четкий результат: квантовая механика верна, скрытых переменных нет .
На сегодняшний день квантовая запутанность была продемонстрирована экспериментально с фотонами, нейтрино, электронами, молекулами и даже маленькими бриллиантами.
И мы можем немного больше.
Используя усовершенствованные инструменты и длинную серию экспериментов, Антон Цайлингер стал использовать запутанные квантовые состояния. Среди прочего, его исследовательская группа продемонстрировала явление под названием «квантовая телепортация», позволяющее перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии.
Это, собственно, и использование «страхолюдного дальнодействия» — передача квантового состояния на любое расстояние с помощью разъединенных в пространстве сцепленных пар частиц и классического канала связи.
Работает это так: частицы в запутанной паре летят в разные стороны, а затем одна из них встречает третью частицу и запутывается уже с ней в общее состояние. Эта третья частица теряет свою «идентичность», но ее начальные свойства переносятся на оставшуюся частицу.
Квантовая телепортация является единственным способом передачи квантовой информации из одной системы в другую без потери какой-либо ее части. Абсолютно невозможно измерить все свойства квантовой системы, а затем отправить информацию получателю, желающему реконструировать систему: квантовая система может содержать несколько версий каждого свойства одновременно, где каждая версия имеет определенную вероятность появления во время измерения. После проведения измерения остается только одна версия, а именно та, которую считал измерительный прибор. Остальные исчезли, и о них невозможно ничего узнать. Однако абсолютно неизвестные квантовые свойства могут быть переданы с помощью квантовой телепортации и появляться неприкосновенными в другой части», — рассказали во время представления победителей представители Нобелевского комитета.
Следующим шагом было использование двух пар запутанных частиц, впервые продемонстрированных в 1998 году группой Антона Цайлингера.
В общем, возможность манипулировать и управлять квантовыми состояниями дает нам доступ к новым инструментам — это основа для квантовых вычислений, передачи и хранения квантовой информации, алгоритмов квантового шифрования. Сейчас для этого используют системы, которые первым исследовал Цайлингер.
Были продемонстрированы запутанные квантовые состояния между фотонами, прошедшими через десятки километров оптического волокна, а также между спутником и наземной станцией. За короткое время исследователи во всем мире нашли много новых способов использования мощнейшего свойства квантовой механики.
При этом пока принцип причинности мы не нарушаем, потому что нужна классическая связь, которой можно передать информацию об измерениях обеих частиц, иначе корреляции между ними не произойдет. Поэтому, сколько бы вы ни открывали коробки с котами дома, без звонка другу вы не будете знать, связаны ли ваши коты между собой.
