Запутанная премия: за что присудили физического «Нобеля» в 2022 году

Итак, как же «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и пионерские работы в науке о квантовой информации» могли дать практический результат? Все так запутанно… На самом деле история «Нобеля»-2022 началась, наверное, почти 100 лет назад – точнее, 95 лет назад на Пятом Сольвеевском конгрессе по физике 1927 года, когда Нильс Бор и Вернер Гейзенберг прямо на конгрессе сформулировали так называемую Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики.

Эйнштейн атакует!

Эта интерпретация давала ответ на вопрос, что происходит с фотонами во время знаменитого двухщелевого эксперимента Юнга, в котором мы пропускаем фотоны сквозь две щели на экран по одному, и все равно «на выходе» получаем некую интерференционную картину. Таким образом мы видим, что фотон и волна, и частица.

Бор с Гейзенбергом предложили фундаментальный вероятностный характер волновой функции, а когда мы производим ее измерение, то функция «схлопывается», случайно выбирая одно из вероятных значений.

Эйнштейн такому «недетерминизму» воспротивился (именно оттуда фразы его о том, что «Бог не играет в кости» и «разве Луна существует только тогда, когда вы на нее смотрите).

Начался долгий спор великого физика с Бором, который привел через 8 лет к мысленному эксперименту Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-эксперименту или ЭПР-парадоксу), который вроде бы показал неполноту квантовой механики и предлагал теоретический способ прорваться сквозь соотношение неопределенностей Гейзенберга, по которому мы не можем одновременно точно вычислить координату частицы и ее импульс (Поль Дирак после публикации статьи ЭПР Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», не найдя изъянов в аргументах Эйнштейна, даже заявил, что «все придется начинать сначала»).

Эксперимент предполагал рождение двух частиц, А и В при распаде третьей частицы, С. По закону сохранения импульса, суммарный импульс образовавшихся частиц должен быть равен импульсу распавшейся. То есть мы получаем «запутанные» частицы. Но ведь мы можем измерить импульс частицы А и рассчитать импульс частицы В, не внося в нее никаких возмущений. А, значит, для частицы В мы теоретически можем точно узнать импульс и координаты, что нам уже запретил Гейзенберг. А, значит, и импульс, и координаты на самом деле существуют одновременно и реально. Так был сформулирован принцип локального реализма. То есть Эйнштейн предполагал, что вероятностный характер волновой функции, а, значит, и всего квантового мира – это лишь потому, что мы не знаем чего-то. Что в нем есть некие скрытые параметры, которые мы пока что не умеем описывать.

Неравенства Белла

Какое-то время ЭПР-парадокс существовал как есть, пока в 1964 году ирландский физик-теоретик Джон Стюарт Белл не добавил в него более строгой математики. Он сформулировал неравенства (или теорему Белла), в которых показал, что есть ли скрытые параметры, нет ли их, можно провести статистический эксперимент, в котором результаты подтвердят либо опровергнут наличие таких скрытых параметров в квантово-механической теории. Если говорить грубо, в одном случае статистическое соотношение (параметр Белла) составит не более одной величины, а в другом — не более другой.

Появление неравенств Белла открыло дорогу к экспериментальной проверке парадокса ЭПР и наличия этих самых скрытых параметров.

Ничего скрытого

Первыми, кто отправился на штурм квантовой запутанности, стали наш сегодняшний лауреат Джон Клаузер, который в 1972 году вместе со Стюартом Фридманом в Калифорнийском университете в Беркли использовал атомы кальция, которые могли испускать запутанные фотоны после того, как они освещались лучами подходящей длины волны. Исследователи установили фильтр с обеих сторон, чтобы измерить поляризацию фотонов. После серии измерений они смог показать, что они нарушают неравенство Белла и показывают правоту Бора. Однако вероятность существования «лазеек», которые могли допустить правоту Эйнтшейна, оставалась.

Десять лет спустя, в 1982 году, в рамках работы над своей диссертацией французский исследователь Аллен Аспе провел новый эксперимент, используя новый способ возбуждения атомов, чтобы они испускали запутанные фотоны с более высокой скоростью. Он также мог переключаться между различными настройками, поэтому система не содержала бы никакой предварительной информации, которая могла бы повлиять на результаты. В итоге Аспе сумел развести фотоны на такое расстояние, что стало понятно – коллапс «общей» для двух фотонов волновой функции в результате измерения параметров одного из них происходит «мгновенно» - по крайней мере, второй фотон «чувствует» это измерение быстрее скорости света. Нарушение неравенств Белла стало очевидным.

Последний удар по неравенствам Белла нанес третий лауреат, австрийский физик Антон Цайлингер, который провел дополнительные тесты неравенств Белла. Он создал запутанные пары фотонов, направив луч лазера на специальный кристалл, и использовал случайные числа для переключения между настройками измерения. В одном эксперименте использовались сигналы из далеких галактик для управления фильтрами и обеспечения того, чтобы сигналы не могли влиять друг на друга.

Так появилась совершенно новая область, которая стала называться квантовая информатика. Квантовая криптография, квантовые компьютеры, квантовая телепортация – все это стало возможно благодаря новаторским экспериментам наших лауреатов. Продолжаются и фундаментальные эксперименты: например, исследователи пытаются работать с запутанными атомами, пытаясь включить в запутанность такой параметр, как массу. Это может привести к новым прорывам в современной физике. Чем занимаются исследователи сейчас в этой области, можно узнать в нашем интервью с Аленом Аспе, которое мы брали еще четыре года назад.