За що дали Нобелівську премію з фізики-2022

Нобелівську премія з фізики у 2022 році отримали квантові фізики Ален Аспе, Джон Клаузер та Антон Цайлінгер «за експерименти із заплутаними фотонами, встановлення порушення нерівностей Белла та новаторство квантової інформаційної науки». В перекладі на людську мову — за експерименти та дослідження, які зрештою призвели до квантової телепортації. Пояснюємо, що це таке, пише dev.ua.

Чи можна передбачити кота в мішку

Фізична теорія має передбачати якісь результати, інакше вона нежиттєздатна і взагалі непотрібна. Та проблема в тому, що наші основні теорії, які досить добре працюють в своїх «світах», починають пасувати, коли йдеться про їх сумісність. В даному випадку нам цікава теорія відносності Альберта Ейнштейна, яка передбачає макросвіт, і квантова теорія, яка передбачає поведінку мікросвіту.

Квантова механіка — штука дивна і загадкова, і самі вчені часто жартують на цю тему типу «якщо вам здається, що ви розумієте квантову механіку, то ви не розумієте квантову механіку». Там повно коробок з якимось дивними живими і мертвими водночас котами всередині. Та ще більш цікава тема, пов’язана з цими котами — те, що Ейнштейн колись назвав «страховидною дією на відстані» (spooky action at distance).

Елементарні частинки знаходяться в стані суперпозиції — тобто, в кількох станах одночасно. Як кіт в уявному експерименті Ервіна Шредінгера — поки коробка закрита, він одночасно живий і мертвий. Коли крутиться колесо, це і рух точок на окружності, і рух навколо своєї осі. Дізнатися, в якому саме стані знаходиться елементарна частинка, можна лише вимірявши її.

Візьмемо, наприклад, спін — це властивість, яка є лише в квантових часток, щось типу «власного моменту імпульсу». Якщо дуже-дуже приблизно, частинка крутиться за і проти годинникової стрілки водночас. Якщо її виміряти, почне крутитися в один бік. Це здається нелогічним і неправильним, та згадайте, як в голові одночасно носяться дві протилежні думки і доводиться кидати монетку, яка висить у повітрі і ви не знаєте, яким боком вона впаде. Тож, метафорично, квантові частинки «висять у повітрі». І дізнатися їх стан — в який бік вона крутиться — без вимірювання, яке руйнує суперпозицію, ми не можемо.

Берете ще одного кота…

Та насправді, типу, можемо.

Тому що існує така властивість, як квантова заплутаність. Тобто, певним чином зв’язавши частки в єдину квантову систему, ми, повторюючи приклад з попереднього абзацу зі спіном, знаємо: якщо одна частинка крутиться за годинниковою стрілкою, інша крутиться проти годинникової стрілки. Тобто, ці частинки якимось чином «знають», що «робить» інша частинка. Якщо ви відкриєте свою коробку з котом і кіт живий, значить вашому напарнику по експерименту пощастило менше.

Але стривайте, як таке взагалі можливо? Це ж виходить, якщо одна частинка буде на Землі, а інша в Малій Магелановій хмарі, то ми можемо передати якусь інформацію швидше, ніж світло, а це несумісно з теорією відносності, яка постулює, що світло — найшвидше у Всесвіті.

Це стало предметом статті 1935 року Альберта Ейнштейна, Бориса Подольського та Натана Розена, а потім — статей Ервіна Шредінгера, які описали «парадокс ЕПР», чи Ейнштейна-Подольського-Розена. Суть його описана вище: квантова заплутаність порушує місцевий реалістичний погляд на причинність.

Як таке взагалі можливо?

У 1964 році Джон Стюарт Белл написав статтю «Про парадокс Ейнштейна-Подольського-Розена».

Ейнштейн, Подольський і Розен представили сценарій, який передбачає підготовку пари частинок таким чином, щоб квантовий стан пари був заплутантий, а потім розділення частинок на довільно велику відстань.

Експериментатор має вибір можливих вимірювань, які можна провести на одній із частинок. Коли вони обирають вимірювання та отримують результат, квантовий стан іншої частинки, очевидно, миттєво руйнується в новий стан залежно від цього результату, незалежно від того, наскільки далеко інша частинка.

Ейнштейн, Подольський та Розен стверджуювали, що квантова механіка є неповною, бо вона не дає повного опису фізичних характеристик частинки. Тобто, електрони і фотони повинні володіти властивостями і атрибутами, які не включені в квантову теорію. Тому квантова механіка і не може передбачити стан частинки — через невідомі «приховані змінні».

Це означає, що заплутані частинки мали якусь невиміряну — локальну — властивість, яка наперед визначала їхній кінцевий квантовий стан до того, як їх розділили. Або що вони порушують теорію відносності, бо взаємодіють швидше світла.

І хто правий?

Квантові коти-телепати перемагають Ейнштейна

Щоб дізнатися, хто правий, Белл пішов далі. Він виявив, що існує тип експерименту, який може визначити, чи є світ суто квантово-механічним, чи може існувати інший опис із прихованими змінними. Якщо його експеримент повторюється багато разів, усі теорії з прихованими змінними показують кореляцію між результатами, яка має бути нижчою або щонайбільше рівною певному значенню. Це називається нерівністю Белла.

Вчені, які отримали Нобелівську премію з фізики у 2022 році, розвивали ідеї Белла і працювали над вивченням квантової заплутаності.

Джон Клаузер створив апарат, який випромінював два заплутані фотони одночасно, кожен у напрямку фільтра, який перевіряв їхню поляризацію. У 1972 році разом із докторантом Стюартом Фрідманом він зміг показати результат, який був явним порушенням нерівності Белла та погоджувався з передбаченнями квантової механіки.

Та в його експерименті лишалися лазівки: що, якщо експериментальна установка якимось чином вибрала частинки, які мали сильну кореляцію, і не виявила інші? Якщо так, то частинки все ще можуть нести приховану інформацію. Усунути цю конкретну лазівку було складно, оскільки переплетені квантові стани настільки крихкі, і ними важко керувати; необхідно мати справу з окремими фотонами.

Французький докторант Ален Аспе створив нову версію установки, яку вдосконалив протягом кількох ітерацій. У своєму експерименті він міг зареєструвати і фотони, які пройшли через фільтр, і ті, що не пройшли. Це означало, що було виявлено більше фотонів і результати вимірювань були кращими.

У фінальному варіанті своїх випробувань він також зміг скерувати фотони до двох різних фільтрів, які були встановлені під різними кутами. Таким чином Ален Аспе закрив важливу лазівку та дав дуже чіткий результат: квантова механіка вірна, прихованих змінних немає.

На сьогодні квантова заплутаність була продемонстрована експериментально з фотонами, нейтрино, електронами, молекулами і навіть маленькими діамантами.

Ваш телепорт під’їхав, виходьте без дзвінка

Та ми можемо трохи більше.

Використовуючи вдосконалені інструменти та довгу серію експериментів, Антон Цайлінгер почав використовувати заплутані квантові стани. Серед іншого, його дослідницька група продемонструвала явище під назвою «квантова телепортація», яке дозволяє переміщувати квантовий стан від однієї частинки до іншої на відстані.

Це, власне, і є використання «страхолюдної дальнодії» — передача квантового стану на будь-яку відстань за допомогою роз’єднаних у просторі зчеплених пар частинок та класичного каналу зв’язку.

Працює це так: частинки в заплутаній парі летять в різні сторони, а потім одна з них зустрічає третю частинку і заплутується вже з нею в спільний стан. Ця третя частинка втрачає свою «ідентичність», але її початкові властивості переносяться на частинку, яка залишалась сама.

«Квантова телепортація є єдиним способом передачі квантової інформації з однієї системи в іншу без втрати будь-якої її частини. Абсолютно неможливо виміряти всі властивості квантової системи, а потім надіслати інформацію одержувачу, який хоче реконструювати систему: квантова система може містити кілька версій кожної властивості одночасно, де кожна версія має певну ймовірність появи під час вимірювання. Після проведення вимірювання залишається лише одна версія, а саме та, яку зчитав вимірювальний прилад. Інші зникли, і про них неможливо нічого дізнатися. Однак абсолютно невідомі квантові властивості можуть бути передані за допомогою квантової телепортації та з’являтися недоторканими в іншій частинці», — розказали під час представлення переможців представники Нобелівського комітету.

Наступним кроком було використання двох пар заплутаних частинок, це було вперше продемонстровано в 1998 році групою Антона Цайлінгера.

Загалом, можливість маніпулювати та керувати квантовими станами дає нам доступ до нових інструментів — це основа для квантових обчислень, передачі та зберігання квантової інформації, алгоритмів квантового шифрування. Зараз для цього використовують системи, які першим дослідив Цайлінгер.

Були продемонстровані заплутані квантові стани між фотонами, які пройшли через десятки кілометрів оптичного волокна, а також між супутником і наземною станцією. За короткий час дослідники в усьому світі знайшли багато нових способів використання найпотужнішої властивості квантової механіки.

При цьому, поки що принцип причинності ми не порушуємо, тому що потрібен класичний зв’язок, яким можна передати інформацію про вимірювання обох часток, інакше кореляції між ними не відбудеться. Тому, скільки би ви не відкривали коробки з котами вдома, без дзвінка другу ви не знатимете, чи ваші коти пов’язані між собою.

Читайте також на Newssky «Заснований українцем Eclypsium залучив $25 млн інвестицій» і дивіться на YouTube-каналі «Нудний Пенс».

Щоб завжди бути в курсі подій, підписуйтесь на ТГ-канал Newssky. Також рекомендуємо актуальні дискусії друзів України в Північній Америці на YouTube-каналі Rashkin Report.