Квантовая механика ― теория, которая описывает невидимые атомы и вполне видимый свет ― очень сложная для понимания часть науки. Тем не менее она помогла учёным разобраться в очень странных особенностях квантового мира микроскопических частиц, совсем не похожего на наш макромир с его огромными и понятными объектами.
Попробуем разобраться, что же всё-таки сделали француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Цайлингер в своих экспериментах и как они своими работами заложили основы, которые обеспечили мир столь востребованными сегодня квантовыми коммуникациями.
Официальная формулировка Нобелевского комитета такова: "за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторский подход в науке о квантовой информации".
Основа этих открытий была заложена во времена активной работы Альберта Эйнштейна. Примерно в 1935 году.
"…Я убеждён, что Он не играет в кости", – написал Эйнштейн, подразумевая Бога и тот факт, что любая теория должна быть достаточно точной, чтобы учёные не гадали о том, что же на самом деле происходит с изучаемым ими объектом.
Квантовая механика, очень популярная теория того времени, имела одну специфическую особенность. Например, для самого простого атома водорода, который состоит из одного протона и одного электрона она описывала положение электрона не как некие точные координаты в пространстве, а как вероятность нахождения электрона в определённом месте.
Напомним, что в случае водорода электрон движется по "орбите" вокруг протона, расположенного в центре атома. Мы же можем точно узнать, где находится и будет находиться Луна в любой момент времени её движения по орбите вокруг Земли. Отчего же нельзя то же самое узнать про электрон?
Нильс Борн и Эдвин Шрёдингер, создатели квантовой механики, считали, что достаточно и того, что есть. Однако Альберт Эйнштейн был с этой позицией не согласен. Позднее совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном он предложил мысленный эксперимент, который показал, что одной квантовой механики для понимания многих процессов микромира нам явно не хватит. Есть ещё некие скрытые параметры, которые определяют состояние ультрамаленьких систем.
Эйнштейн, Подольский и Розен представили сценарий, который включает в себя подготовку пары частиц (например, частиц света ― фотонов) таким образом, чтобы квантовое состояние пары было запутанным, а затем разделение частиц на любое большое расстояние.
У экспериментатора при этом есть возможность выбрать, какие свойства частицы он хочет измерить у одной из частиц. Когда он выбирает параметр и получает результат, квантовое состояние другой частицы, по-видимому, мгновенно переходит в новое состояние. Но оно будет зависеть от того результата, который получит экспериментатор. Независимо от того, как далеко находится другая частица из пары.
Что же получается? Измерение параметра первой частицы каким-то образом также влияет на вторую частицу, да ещё и со скоростью, превышающей скорость света. Расстояние ведь может быть сколько угодно огромным. То есть запутанные частицы из пары обладают каким-то скрытым свойством ("скрытыми переменными"), которое заранее определяет их окончательные (измеренные) квантовые состояния, ещё до того как частицы были разделены расстоянием.
Это несоответствие получило название ЭПР-парадокса.
Шли годы, но никому не удавалось ухватить удачу за хвост и предложить теорию, которая бы закрывала белые пятна квантовой механики и объясняла бы проблемы мысленного эксперимента.
Спустя три десятилетия, в 1964 году, ирландский физик Джон Белл показал в своей теоретической работе вывел теорему, которая показала, что квантовая механика не совместима с представлением о том, что на частицу может воздействовать только её непосредственное окружение (экспериментатор, который измеряет её свойства). Сегодня эту работу называют неравенствами Белла.
К сожалению, Белла не стало в 1990 году.
Однако американец Джон Клаузер предложил первый эксперимент, который бы подтвердил или опроверг правоту Белла. Если бы физики увидели в эксперименте, что квантовая механика не работает, то они смогли бы начать поиски новых объяснений.
Правда, провести такой эксперимент оказалось затруднительно. Оборудования того времени, которым обладали даже лучшие лаборатории мира, было недостаточно.
В итоге Клаузер привлёк коллег и всё же провёл измерения, которые подтвердили, что неравенства Белла всё же нарушаются. Это означало, что квантовую механику нельзя заменить теорией, использующей "скрытые переменные".
Однако после эксперимента Джона Клаузера всё ещё оставались незакрытыми некоторые лазейки. Ален Аспе смог построить установку, которая решала эти проблемы.
Он смог перенастроить измерения уже после того, как запутанная пара частиц покинула свой источник. Это означало, что настройка, существовавшая в момент старта фотонов, никак не могла повлиять на конечный результат.
Используя более совершенствованные инструменты и проведя длинную серию экспериментов, Антон Цайлингер начал использовать запутанные квантовые состояния для практических применений.
Среди прочего, его исследовательская группа продемонстрировала явление, называемое квантовой телепортацией. О ней чуть ниже.
Квантовая запутанность открыла удивительные новые возможности для физики. При этом как для фундаментальных исследований, так и для практических нужд человечества.
Одним из таких практических приложений квантовой физики в итоге стало создание квантовой сети связи.
В квантовой сети узлы должны обмениваются между собой информацией с помощью квантовой запутанности.
Как создать такую сеть, ведь квантовая запутанность ― состояние весьма хрупкое. Даже в почти идеальных условиях лаборатории достаточно пройти мимо аппаратуры, и квантовая запутанность разрушится.
Оптоволокно не подойдёт, да и усилители сигнала, которые расположены в такой сети тут и там, разрушат квантовую запутанность.
Антон Цайлингер предложил решение этой проблемы. Он придумал схему, при которой две пары запутанных фотоном могут "обмениваться" своей запутанностью. Для этого частицы света ― фотоны ― из разных запутанных пар посылались по воздуху на отдельное устройство.
В 2017 году китайские учёные установили рекорд квантовой запутанности, отправив пару фотонов на расстояние 1203 километров. Затем в 2018 году на орбите Земли был проведён эксперимент, который показал, что квантовая связь работает даже между континентами (7600 км).
Сегодня учёные и инженеры по всему миру совершенствуют квантовую связь и используют накопленные теоретические знания не только для фундаментальных исследований, но и для разработки квантовой криптографии и квантовых компьютеров, которые считаются вычислительными машинами будущего.
Все мы прекрасно понимаем, насколько изменился мир после создания привычных нам компьютеров. Квантовые компьютеры позволят сделать следующий феноменальный скачок в наших возможностях и способах изучения окружающего нас мира.
Нобелевский комитет связался с профессором Антоном Цайлингером, который, конечно же, был очень удивлён и польщён присуждением самой известной научной награды мира.
Журналисты в зале попросили профессора объяснить, что такое квантовая телепортация. Он пояснил, что телепортация в данном случае не подразумевает мгновенное перемещение физического объекта или человека из одной точки мира в другую. Речь о передаче свойств от одной частицы к другой, которые могут быть, как мы помним, разнесены на огромное расстояние. И как раз столь странная квантовая запутанность позволяет проворачивать такие чудеса.
Квантовая телепортация фактически позволяет переправлять информацию, даже не зная, что же мы отправляем. Более того, если на пути информации кто-то попробует её перехватить и изучить, обе стороны, между которым идёт отправка данных, узнают о таком вмешательстве. Это важно, например, при отправке зашифрованной информации.
Больше новостей из мира науки и медицины вы найдёте в разделах "Наука" и "Медицина" на медиаплатформе "Смотрим".
