Нобелевская премия 2022 года по физике будет вручена французскому ученому Алену Аспе (Alain Aspect), американцу Джону Клаузеру (John F. Clauser) и австрийцу Антону Цайлингеру (Anton Zeilinger). Согласно официальной формулировке, премия присуждена им «за эксперименты с запутанными фотонами, исследование нарушений неравенств Белла и работы по квантовой информатике».
Ален Аспе, Джон Клаузер, Антон Цайлингер. nobelprize.org
Квантовая физика, описывая объекты микромира, наделяет их свойствами, которые очень часто кажутся парадоксальными разуму человека. Каждый объект обладает определенными характеристиками — например, хотя бы положением в пространстве, которое описывается координатами. У частиц могут быть заряд, спин и другие характеристики. Нам привычно, что эти характеристики могут быть точно указаны, измерены. Но для объектов микромира, к которым и относятся элементарные частицы, дело обстоит иначе. Их состояние описывается волновой функцией, задающей вероятности, с которыми частица имеет то или иное значение каждой своей характеристики. При этом сам квантовый объект находится во всех возможных состояниях сразу (это называют суперпозицией состояний). Когда же исследователь измеряет значение характеристики, происходит «коллапс волновой функции», неопределенность исчезает. С точки зрения квантовой теории до момента измерения частица находится в состоянии суперпозиции — то есть его характеристика одновременно с какой-то вероятностью принимает каждое из возможных значений. В момент измерения суперпозиция снимается, и факт измерения «заставляет» частицу принять конкретное состояние. Это противоречит интуитивным представлениям человека о природе вещей.
Если в ходе какого-то процесса из одной частицы рождается пара частиц, законы сохранения требуют, чтобы они имели определенные характеристики. Например, из двух возникших фотонов один должен иметь спиральность –1, а другой — +1. Но, как уже говорилось, до того как наблюдатель измерит спиральность фотона, он находится в состоянии суперпозиции. И вот мы узнаём, что спиральность одного фотона положительна. Тут же у другого фотона, как бы далеко он ни находился, спиральность оказывается отрицательной. Получается, что между частицами происходит взаимодействие, причем это взаимодействие распространяется с огромной скоростью (потенциально — с бесконечной скоростью, если нам удастся разнести эти фотоны на бесконечное расстояние). Такая зависимость квантовых состояний называется «квантовой запутанностью» (более точным термином было бы «квантовая сцепленность» или «квантовая зацепленность»). Квантово запутанных частиц может быть не две, а больше, и характеристики их могут быть не двузначными, мы лишь рассмотрели самый простой пример.
Забавную бытовую иллюстрацию феномена квантовой запутанности придумал физик Джон Белл. У него был рассеянный коллега Рейнгольд Бертлман, который очень часто приходил на работу в разных носках. Белл шутил, что если наблюдателю виден только один носок Бертлмана, и он розовый, то про второй, даже не видя его, можно совершенно точно сказать, что он не розовый. Разумеется, это просто забавная, не претендующая на проникновение в суть вещей аналогия. В отличие от частиц, которые до момента измерения находятся в состоянии суперпозиции, носок с самого утра на ноге один и тот же.
Когда-то многие считали все рассуждения о вероятностной природе квантовых явлений лишь метафорой, облегчающей понимание. Предполагали, что сами фотоны изначально «знают» свои характеристики (как носки Бертлмана), просто мы не можем их определить до измерения. Последовательно стоявший на детерминистских позициях Эйнштейн отказывался считать эту ситуацию чем-то большим, чем абстрактным умопостроением. В своем письме к физику Борну он иронически назвал взаимодействие запутанных частиц «жутким дальнодействием». Развитие физики показало, что это не так и что за парадоксальными построениями теоретиков стоит реальность.
Британец Джон Белл, работавший в ЦЕРНе, опубликовал в 1964 году статью, из которой следовала возможность экспериментально проверить, когда определяются характеристики квантово запутанных частиц: в момент их рождения или в тот момент, когда эта характеристика измерена. Статистические результаты эксперимента (так называемые «неравенства Белла») должны были отличаться в зависимости от того, какой из этих вариантов соответствует действительности.
Такую проверку впервые провели в 1972 году Джон Клаузер и его аспирант Стюарт Фридман (1944–2012), в 1981 другой эксперимент осуществил Ален Аспе. В обоих случаях оказалось, что квантовая запутанность реально существует и характеристика пары запутанных частиц неопределенна до ее измерения у одной из частиц. В частности, в эксперименте Аспэ общая спиральность фотонов была равна нулю, но у какого из фотонов спиральность +1, а у какого –1, определялось лишь в момент измерения. До этого момента каждый фотон находился в суперпозиции двух состояний. В 1998 году решающий эксперимент был поставлен коллективом под руководством Антона Цайлингера.
Цайлингеру и его коллегам принадлежит открытие квантовой телепортации. Так называют явление, при котором квантовая характеристика одной частицы переносится на другую. В проведенном ими эксперименте участвовали два запутанных и разделенных фотона и третий фотон. При взаимодействии этого третьего фотона с одним фотоном из запутанной пары его квантовое состояние (поляризация) передавалось второму фотону из пары.
Квантовая телепортация — единственный способ передать квантовую информацию из одной системы в другую без потери какой-либо ее части. Совершенно невозможно измерить все характеристики квантовой системы, а затем отправить информацию получателю, который хочет реконструировать систему. Это связано с тем, что квантовая система может содержать несколько версий каждой характеристики одновременно, где каждая версия имеет определенную вероятность появления во время измерения. Как только измерение проведено, остается только одна версия, а именно та, которую считывал измерительный прибор. Остальные исчезают, и узнать о них что-либо невозможно. Однако совершенно неизвестные квантовые свойства могут быть переданы с помощью квантовой телепортации и проявиться нетронутыми в другой частице, но ценой их разрушения в исходной частице.
Следующим шагом в экспериментах Цайлингера было использование двух пар запутанных частиц. Если по одной частице из каждой пары сблизить определенным образом, вторые частицы в каждой паре могут запутаться, несмотря на то, что они никогда не соприкасались друг с другом. Такой обмен запутанностью был впервые продемонстрирован в 1998 году.
В 2004 году в эксперименте по квантовой телепортации были задействованы одновременно пять запутанных фотонов. В 2008 году в Женевском университете удалось разнести два потока запутанных фотонов на расстояние 18 километров. В том же году Цайлингер с коллегами из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук сумели разнести потоки запутанных фотонов на 144 километра, между лабораториями на островах Пальма и Тенерифе. Погоня за всё более далекими расстояниями между запутанными частицами объясняется тем, что с увеличением расстояния снижается вероятность того, что между запутанными частицами все-таки происходит какое-то скрытое взаимодействие в момент измерения. При нынешнем уровне экспериментов скорость такого взаимодействия должна была бы в сотни тысяч раз превышать скорость света в вакууме, иначе оно было бы зафиксировано.
26 февраля 2015 года физики сообщили, что им удалось квантово телепортировать несколько степеней свободы одиночного фотона. Также в 2015 году в Национальном институте стандартов и технологий США был поставлен рекорд по квантовой телепортации фотонов по оптоволоконному кабелю (в экспериментах, описанных выше, телепортация осуществлялась по воздуху). Они использовали специально разработанные сверхпроводящие нановолокна, охлажденные до температуры –272 °C. В результате передать информацию о состоянии запутанных фотонов удалось на 102 километра (предыдущий рекорд для оптоволоконной связи — 25 км).
Квантовая запутанность уже нашла практическое применение в квантовых вычислениях, системах связи и криптографии и создании сверхточных атомных часов.
