Нобелевка по физике за изучение квантовой запутанности — что это значит

Что произошло

• Нобелевскую премию по физике в 2022 году за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику» получили Ален Аспект (Франция), Джон Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия).
• Согласно квантовой теории, система из двух частиц в микромире существует в запутанном состоянии. То, что происходит с одной из частиц в паре, определяет то, что происходит с другой частицей. И эта закономерность — неклассическая корреляция, или запутанность, — сохраняется даже в тот момент, когда они находятся далеко друг от друга.
• Альберт Эйнштейн критиковал эту теорию: ведь способность частиц моментально «угадывать» состояние друг друга означала бы, что они обмениваются информацией быстрее скорости света, что противоречит постулатам теории относительности. По мнению Эйнштейна, должны были существовать некие скрытые параметры, узнав которые, ученые смогли бы вернуть квантовую теорию в русло детерминизма, то есть классической модели. А чтобы найти такие параметры, нужно было бы найти другие составляющие двухчастной системы, которые бы не меняли свои свойства при измерении, в отличие от запутанных частиц.
• Джон Стюарт Белл, работавший над этой проблемой, в 1960-х годах века предложил проверить наличие скрытых параметров при помощи неравенства (которое сейчас называется теоремой Белла). По замыслу ученого, если неравенство выполняется, значит, в системе есть скрытые параметры. Доказать это могли бы статистические эксперименты: в случае наличия или отсутствия скрытых параметров вероятность состояний будет отличаться.
• Недостаток теории заключался в том, что для ее доказательства необходимо было бы провести тысячи экспериментов, чтобы собрать достаточно статистических данных. Это стало возможно только сильно позже, когда появилось оборудование для фиксации состояния экспериментальных фотонов.
• Американский физик Джон Клаузер предложил эксперимент для проверки неравенства Белла, благодаря которому ему в 1972 году удалось доказать, что неравенства не выполняются, а значит, скрытых параметров нет.
• Однако работа на этом не завершилась. Клаузер и другие ученые продолжили искать ответы на некоторые спорные моменты.
• После эксперимента Джона Клаузера к процессу подключился Ален Аспект. Он усовершенствовал установку Клаузера и смог добиться того, чтобы изначальные условия, при которых испускались фотоны, не влияли на результаты измерений. Эксперимент подтвердил вывод ученых: квантовая теория верна, и нет никаких скрытых переменных.
• Опираясь на исследования коллег, Антон Цайлингер и его исследовательская группапродемонстрировала «квантовую телепортацию» — передачу квантового состояния от одной частицы к другой на расстоянии.

Что это значит

Первая квантовая революция в XX веке подарила миру транзисторы, лазеры, солнечные панели, мобильную телефонную связь и интернет.

XXI век открыл новые возможности для квантовой механики. Открытия современных физиков позволяют найти применение свойствам квантовой механики в реальной жизни: от передачи и хранения данных до алгоритмов квантового шифрования. Умение управлять запутанным состоянием частиц позволяет развивать область квантовых вычислений и вносит вклад в совершенствование квантового компьютера.

Квантовое превосходство — способность квантового компьютера решить задачи, которые не способен обработать обычный компьютер — было доказано IBM в 2021 году. Квантовые вычисления помогают ученым моделировать молекулы, химические реакции, квантовые эффекты.