Перевод статьи из “Popular Mechanics” от 5 октября 2022
Ален Аспе, Антон Цайлингер и Джон Клаузер разделяют высшую награду в области физики за свои исследования квантовой запутанности.
Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике за 2022 год Алену Аспе, Джону Ф. Клаузеру и Антону Цайлингеру.
Своей работой эти ученые доказали, что скрытых переменных — концепции, придуманной Эйнштейном для описания недостающих элементов квантовой физики, — не существует.
Их результаты оказали влияние на квантовые вычисления и квантовую криптографию.
Однажды самый известный физик мира Альберт Эйнштейн назвал запутанность — идею о том, что две частицы, раздёленные огромными расстояниями, могут мгновенно влиять друг на друга, — “жутким действием на расстоянии”, что делает квантовую физику такой странной и нелогичной.
Во вторник утром Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике 2022 года трём квантовым физикам — Алену Аспе, Джону Ф. Клаузеру и Антону Цайлингеру, — чьи работы подтвердили это не дающее физикам покоя явление и поставили его в центр технической революции. Аспе, Клаузер и Цайлингер поровну разделят приз в размере 10 миллионов крон (915 000 долларов США).
В заявлении на своем веб-сайте Нобелевский комитет сообщает, что он совместно присудил Нобелевскую премию по физике 2022 года этой троице за их отдельные “эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в области квантовой информатики”.
Одним из самых захватывающих предсказаний квантовой механики является квантовая запутанность, при которой широко разделённые частицы могут быть подготовлены так, чтобы они вели себя как единое целое”, — рассказывает "Популярной механике" Ульф Даниэльссон, секретарь Нобелевского комитета по физике. “Новаторские эксперименты Клаузера, Аспе и Цайлингера показывают, что это ошеломляющее явление сохраняется на макроскопических расстояниях, демонстрируя недостаток нашей классической интуиции”.
Даниэльссон, профессор теоретической физики в Университете Уппсалы в Швеции, ссылается на тот факт, что это явление мгновенной квантовой связи между частицами на огромных расстояниях не учитывается в классической физике повседневного мира.
Он добавляет, что результаты работы троих учёных важны не только для нашего фундаментального понимания мира, но и указывают на будущие практические приложения, такие как безопасная связь с использованием квантовой криптографии и возможность создания квантовых компьютеров ошеломляющей мощности.
В квантовой физике запутанность описывает состояние, в котором две частицы связаны таким образом, что измерение одной из них, называемой переменной, немедленно приводит к тому, что другая частица принимает соответствующее или диаметрально противоположное значение.
На первый взгляд может показаться, что это явление не слишком вызывает беспокойство, но учтите, что это мгновенное изменение во второй частице произошло бы, даже если бы запутанная пара находилась на противоположных сторонах Вселенной.
Запутанность, как было впервые замечено ещё в 1930-х годах, посягала на идею “локального реализма”, которую можно свести к двум утверждениям. Во-первых, реализм утверждает, что все частицы обладают определёнными свойствами для всех возможных измерений. Во-вторых, локальность говорит о том, что связь между частицами не может происходить быстрее скорости света.
Мгновенное действие квантового запутывания бросало вызов по крайней мере одной из этих предпосылок, а может быть, и обеим. Для Эйнштейна, бросая вызов локальности, эта мгновенная природа представляла угрозу одному из его ключевых принципов специальной теории относительности: тому факту, что ничто не может перемещаться быстрее света.
Эйнштейн считал, что вместо того, чтобы нарушать локальный реализм, запутанность и её “жуткое действие на расстоянии” указывают на то, что квантовая физика была неполной; он полагал, что элементы, связывающие переменные одной частицы с другой, в конечном итоге будут найдены. Элементы, которые он и другие физики считали отсутствующими, стали известны как “локальные скрытые переменные”.
Работа Клаузера, Аспе и Цайлингера настолько новаторская, что достойна высшей премии в области физики, потому что она убедительно доказала, что скрытых переменных не существует. Но причина, по которой нелокальность не нарушает теорию относительности, не понята и с тех пор горячо обсуждается. Одно из предположений состоит в том, что запутанные частицы всё еще являются частью одной и той же системы, поэтому расстояние между ними не имеет значения.
ПОДТВЕРЖДЕНИЯ КВАНТОВОЙ НЕЛОКАЛЬНОСТИ И ЗАПУТАННОСТИ
В 1964 году североирландский физик Джон Стюарт Белл разработал свою одноименную теорему Белла, которая предполагала, что локальность является проверяемой гипотезой. Нарушение локального реализма было названо “нарушением неравенств Белла”.
Американский физик-теоретик и экспериментатор Клауз вместе с тогдашним аспирантом Калифорнийского университета в Беркли Стюартом Фридманом, который скончался в 2012 году, разработали первый практический эксперимент по поиску такого нарушения в 1972-м. Эти двое учёных провели эксперимент по отправке двух запутанных фотонов в противоположных направлениях к фильтрам с фиксированной поляризацией.
Эти фильтры либо блокировали бы фотоны, либо позволяли бы им проходить к детектору в зависимости от их угла и поляризации фотона, а результат отражался бы на его запутанном партнере. Полученные результаты бросали вызов правилам классической механики, существованию скрытых переменных и согласовались с квантовой теорией. Другими словами, эксперимент нарушил неравенство Белла.
Аспе (фр. – Aspect), физик из Университета Париж-Сакле и Политехнической школы Франции, предложил улучшенные версии эксперимента Клаузера и Фридмана в 1982 году. В тесты Аспе была встроена способность регистрировать фотоны, заблокированные фильтром. В очередной раз учёный продемонстрировал нарушение неравенства Белла.
В 1997 году в Венском университете в Австрии Цайлингер — ныне старший научный сотрудник Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук — пошёл ещё дальше. Он продемонстрировал передачу квантовой информации от запутанной пары к третьей частице. В 1998 году он продолжил эту работу, запутав два фотона, которые не взаимодействуют напрямую, с помощью запутанных частиц-партнеров.
Николас Бруннер — адъюнкт-профессор Женевского университета, где его областью исследований являются основы квантовой теории и квантовая обработка информации. Это означает, что его исследования сильно зависят от концепций запутанности и нелокальности. “Квантовая нелокальность является сильнейшей демонстрацией запутанности и демонстрирует, что природа по своей сути нелокальна”, — говорит он в интервью Popular Mechanics. “В отличие от того, на что надеялся Эйнштейн, нет никакого способа превратить квантовую теорию в физическую теорию, которая ведёт себя локально. И работа Клаузера, Аспе и Цайлингера стала первой действительно убедительной демонстрацией этого фундаментального аспекта квантовой механики”.
Исходя из этого, объясняет Бруннер, исследователи могли свободно размышлять о том, что можно было бы сделать с нелокальной природой запутанности и квантовой механики. Это привело к развитию квантовых технологий вообще и квантовой криптографии в частности.
“Вы можете использовать запутывание фотонов для создания криптографической системы, в которой две удалённые стороны могут обмениваться секретными сообщениями в условиях полной конфиденциальности”, — говорит Бруннер.
“Конфиденциальность и безопасность гарантированы законами квантовой механики”.
Что касается того, что означает эта премия для областей квантовой физики и квантовой информации, Бруннер считает, что это здорово. “Я работаю с квантовой нелокальностью уже 20 лет, с самого начала моей докторской диссертации. Видеть, что она получила такое признание от самых важных премий по физике, — это действительно нечто особенное. Это действительно признание важности предметов в области квантовой информации в целом”.
На пресс-конференции, на которой было объявлено о присуждении премии во вторник, Цайлингер подчеркнул вклад своих коллег в области квантовой физики.
“На самом деле я был очень удивлен, когда мне позвонили", — сказал он. “Эта премия была бы невозможна без работы более 100 молодых людей на протяжении многих лет”.
Источник:
Popular Mechanics, “Physicists Working on the ‘Spooky’ Science of Quantum Entanglement Take Home Nobel Prize” BY ROBERT LEAPUBLISHED: OCT 5, 2022
На эту же тему — "Метафизика нелокальности": http://proza.ru/2016/03/10/503