К сожалению, сайт не работает без включенного JavaScript. Пожалуйста, включите JavaScript в настройках вашего броузера.
Рассылка Forbes
Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях

Новости

 

Распутанная Вселенная: как квантовая запутанность принесла Нобелевскую премию

Иллюстрация Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences
Иллюстрация Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences
Нобелевскую премию по физике в этом году получили ученые, доказавшие, что Бог все-таки играет в кости. Научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев рассказывает о лауреатах, которые не только ответили на принципиальные вопросы о законах природы, но и стояли у истоков создания квантовых компьютеров и линий связи

Нобелевской премии по физике 2022 года удостоены Ален Аспе из Франции, Джон Клаузер из США и Антон Цайлингер из Австрии. Каждый из них получит треть призовой суммы «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».

Истоки случайности

Законы квантовой механики управляют поведением отдельных частиц, атомов и других микроскопических объектов. Они очень отличаются от законов привычного макроскопического мира.

Например, представим себе бильярдный шар. Он катится по вполне определенной траектории, и при желании можно вычислить его местоположение в каждую будущую секунду. Совсем не так ведет себя электрон. Он как бы размазан по всему пространству сразу и, похоже, обретает местоположение только в момент измерения координат. Причем это местоположение чуть ли не каждый раз разное. Можно говорить лишь о вероятности обнаружить частицу в той или иной точке. Правда, сами эти вероятности можно предсказать очень хорошо, на чем и основана работа микроэлектроники и других технологий.

 

Величайшие физики XX столетия сломали много копий по поводу квантовой случайности. Одни считали, что случайность заложена в саму природу элементарных частиц и других квантовых объектов. Другие возражали: она может быть лишь следствием неполноты наших знаний. Широко известно высказывание Эйнштейна о том, что Бог не играет в кости.

Кстати, о последних. Примеры с игральными костями вошли во все учебники по теории вероятностей вовсе не потому, что в самой природе кубиков есть что-то случайное. Ученые могли бы точно рассчитать, сколько очков выпадет, если бы измерили все параметры броска. Так и у электрона или фотона, говорили некоторые физики, могут быть неизвестные нам параметры, которые помогли бы предсказать результаты эксперимента. Эту теорию так и назвали — теорией скрытых параметров.

Как все запутано

Квантовая система не обязана состоять из одной частицы. Их может быть и две, и гораздо больше. Частицы, входящие в одну систему, называются запутанными, или сцепленными, друг с другом.

Представим себе систему из двух фотонов. У фотона есть параметр под названием «линейная поляризация». Поляризация может быть вертикальной, горизонтальной или наклонной под разными углами. Но до измерения мы не сможем сказать, вертикальная она или какая-то еще.

Тут и начинается самое странное. Отправим запутанные между собой фотоны в разные стороны: один — Алисе, другой — Бобу (эти два персонажа часто встречаются в научных статьях о связи и криптографии и означают просто «точка А» и «точка Б»). Пусть у Алисы и Боба есть детекторы, срабатывающие, скажем, при вертикальной поляризации фотона. Повторяя опыт много раз, они обнаруживают, что поляризация фотона Алисы взаимосвязана (коррелирует) с поляризацией фотона Боба.

 

Теория скрытых параметров легко объясняет это. Она ведь утверждает, что каждый фотон в паре имел определенную поляризацию с самого начала, просто мы об этом не знали. Представьте, что вы забыли дома одну перчатку. Вытащив из кармана одинокую правую перчатку, вы автоматически узнали, что дома осталась левая. 

А вот с точки зрения ортодоксальной квантовой механики поляризация не имеет определенной ориентации, пока ее не измерили. И тогда получается, что второй фотон как будто почувствовал, что происходит с первым. Даже если они так далеко друг от друга, что любым взаимодействием можно пренебречь. Даже если опыт на обоих концах «провода» проводится одновременно и никакой сигнал не успел бы долететь от Алисы к Бобу между измерениями.  

Это очень странно звучит. Но кто сказал, что элементарные частицы не должны быть странными для нашего мозга, эволюционировавшего ради спасения от хищников и размножения? Это еще не повод отвергать ортодоксальную квантовую механику. Тем более что она устроена математически проще, чем теория скрытых параметров, но дает ровно те же экспериментальные результаты. Во всяком случае так было до 1960-х годов.

Борьба с неравенством

В 1964 году физик Джон Белл придумал, как различить в эксперименте две версии квантовой механики — ортодоксальную и со скрытыми параметрами.

Идея в том, что у Алисы и Боба есть детекторы двух видов — для обнаружения вертикальной и горизонтальной поляризации. Причем и Алиса, и Боб каждый раз случайным образом и независимо друг от друга выбирают, какой детектор включить. Насколько часто будут совпадать их результаты? Теории со скрытыми параметрами накладывают на эту корреляцию строгие ограничения, известные как неравенства Белла. Ортодоксальная квантовая механика предлагает свой ответ, нарушающий эти неравенства.

Правда, Белл использовал лишь мысленный эксперимент, нереализуемый технически. В 1969 году один из нынешних лауреатов Джон Клаузер вместе с другими физиками предложил новую версию схемы Белла, которая уже поддавалась экспериментальной проверке.

Клаузер в соавторстве со Стюартом Фридманом занялись экспериментами. Несмотря на то что ученые модифицировали готовую экспериментальную установку своего коллеги, у них ушло два года на ее подготовку и наладку. Собственно измерения заняли еще около 200 часов чистого времени. Наконец, в 1972 году исследователи опубликовали результаты первой экспериментальной проверки неравенств Белла. Эти неравенства нарушались. Теория скрытых параметров потерпела поражение. Оказалось, что Бог все-таки играет в кости.

Однако быть ученым — значит быть адвокатом дьявола. Любой результат нужно рассматривать под микроскопом на предмет малейших лазеек и неувязок. А уж тем более когда речь идет о фундаментальных законах мироздания.

Можем ли мы гарантировать, что выбор Алисы и Боба, какой детектор включать, действительно случаен и независим? В опытах Клаузера это было не вполне очевидно.

Ален Аспе с соавторами в 1981–1982 годах первым закрыл это слабое место. Он создал установку, в которой детекторы Алисы и Боба переключались случайным образом прямо во время полета фотонов. Кроме того, Аспе установил нарушение неравенств Белла с куда более высокой точностью, чем Клаузер. 

 

Третий лауреат, Антон Цайлингер, тоже не остался в стороне. В одном из недавних исследований под его руководством выбор за Алису и Боба делали лучи квазаров, очень далеких как от Земли, так и друг от друга. Эти лучи были испущены из разных точек Вселенной задолго до рождения Солнца. Уж они-то точно не договаривались между собой, какой детектор включать!

Однако основная заслуга Цайлингера в другом. Он первым продемонстрировал квантовую телепортацию и тем самым сделал возможным квантовое шифрование.

Связь и телепортация

Квантовая запутанность — не просто ключ к глубоким свойствам материи. Это еще и основа таких перспективных технологий, как квантовые компьютеры и квантовое шифрование.

Квантовое шифрование куда надежнее любых криптографических алгоритмов. Такой шифр невозможно взломать: самим фактом подключения «к проводу» злоумышленник меняет состояние запутанных фотонов и тем самым сразу же оповещает о себе. Есть одно «но»: эта технология требует передачи запутанных фотонов на большие расстояния.

Это можно делать (и уже делали) между наземной антенной и спутником — атмосфера почти не поглощает сигнал. С оптоволокном все сложнее. Через каждые 10 км пути оно поглощает половину фотонов. В обычной связи эту проблему решают с помощью лазеров, обновляющих ослабевший сигнал. Но как сделать, чтобы испущенный лазером новенький фотон сохранил запутанность?

 

Тут и выходит на сцену квантовая телепортация, впервые продемонстрированная Цайлингером и соавторами в 1997 году. Суть этого явления проста. Возьмем две пары запутанных между собой фотонов: пусть первый запутан со вторым, а третий — с четвертым. Теперь запутаем второй фотон с третьим. Оказывается, при этом третий (а значит, и четвертый) фотон запутаются с первым. Запутанность как бы перепрыгнет с первого фотона на четвертый через посредничество промежуточных частиц. Это и есть квантовая телепортация, ничего общего не имеющая с научной фантастикой. Путем таких обменов теоретически можно передать запутанные фотоны на любые дистанции. И линии квантовой связи между крупными городами уже запущены.

Новые технологии уже заставляют некоторых экспертов говорить о второй квантовой революции. Первая подарила нам микроэлектронику и лазеры. Вторая, основанная на квантовой запутанности, обещает эру сверхмощных квантовых компьютеров и абсолютно защищенных линий связи — и это не полный список. История в очередной раз доказала, что самые отвлеченные изыскания теоретиков могут давать мощнейшую технологическую отдачу спустя десятилетия. Об этом стоит помнить людям, управляющим наукой.

Рассылка:

Наименование издания: forbes.ru

Cетевое издание «forbes.ru» зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации: серия Эл № ФС77-82431 от 23 декабря 2021 г.

Адрес редакции, издателя: 123022, г. Москва, ул. Звенигородская 2-я, д. 13, стр. 15, эт. 4, пом. X, ком. 1

Адрес редакции: 123022, г. Москва, ул. Звенигородская 2-я, д. 13, стр. 15, эт. 4, пом. X, ком. 1

Главный редактор: Мазурин Николай Дмитриевич

Адрес электронной почты редакции: press-release@forbes.ru

Номер телефона редакции: +7 (495) 565-32-06
Перепечатка материалов и использование их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, возможны только с письменного разрешения редакции. Товарный знак Forbes является исключительной собственностью Forbes Media Asia Pte. Limited. Все права защищены.
AO «АС Рус Медиа» · 2023
16+