Нобелевскую премию по физике в этом году получили трое учёных: Ален Аспе из Франции, Джон Фрэнсис Клаузер из США и Антон Цайлингер из Австрии. Исследователи удостоились награды за эксперименты с запутанными фотонами, установление принципа нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике. Мы попросили специалиста в области квантовых технологий рассказать об этих открытиях и их значении для понимания устройства мира.
Наш эксперт — Алексей Рубцов — доктор физико-математических наук, профессор Кафедры квантовой электроники Физического факультета МГУ, профессор РАН, руководителю научной группы Российского Квантового Центра.
Скрытых параметров нет
Квантовая механика даёт совершенно необычные результаты. И самый из них известный: вероятностный характер измерений. В квантовой механике почти любое измерение даёт результат не какой-то определённый, а с некоторой вероятностью, то есть может быть сразу несколько исходов. Это достаточно трудно принять — этот тезис долго не мог принять даже Альберт Эйнштейн. Он был приверженцем теории скрытых параметров, то есть думал, что каждая частица в нашем мире может быть охарактеризована какими-то параметрами, переменными, про которые мы пока не знаем, и не понимаем, что это такое, но если бы мы их знали, то случайность бы исчезла. То есть случайность — это будто бы не закон природы, она от наших неполных знаний о физических объектах.
В середине XX века физик Джон Белл понял, что любая теория со скрытыми параметрами должна удовлетворять неким неравенствам. А если эти неравенства нарушаются, то никаких скрытых параметров быть не может. Нобелевские лауреаты этого года Джон Фрэнсис Клаузер и Ален Аспе экспериментально проверили, что неравенства Бэлла нарушаются. То есть никаких скрытых параметров нет, и наш мир действительно квантовый.
Перепутанные состояния и квантовая телепортация
Итак, вместо скрытых параметров есть некая квантовая реальность, которую человек очень тяжело воспринимает. И мы до сих пор только учимся понимать мостики между миром квантовым (который мы умеем описывать только математически) и миром в нашем классическом представлении. Состояния, с которыми работали Джон Фрэнсис Клаузер и Ален Аспе, называются перепутанными состояниями. Этот когда состояния двух квантовых частиц, расположенных далеко друг от друга, находятся в некоторой внутренней связи. Представьте, что у меня в комнате есть один фотон, а у вас в комнате — другой фотон. И они друг о друге знают. Как только я захочу определить какие-то характеристики своего фотона, тут же ваш фотон, связанный с моим через квантовую запутанность, на это отреагирует. То есть я вам не могу переслать какую-то информацию, но как только я произведу измерение над своим фотоном, я тут же буду знать, в каком состоянии после этого находится не только мой, но и ваш фотон. Перепутанность — это когда частицы друг о друге знают на квантовом уровне.
Третий лауреат Антон Цайлингер пошёл ещё дальше — он сделал так называемую квантовую телепортацию. Научился передавать квантовую информацию от одной квантовой системы к другой на расстоянии, используя перепутанные состояния.
Квантовый мир — он какой?
Если подытожить всё вышесказанное, то лауреаты Нобелевской премии по физике в 2022 году доказали, что наш мир истинно квантовый. Они научились работать с перепутанными состояниями, с системами, находящимися на большом расстоянии друг от друга, но квантовом образом знающими о свойствах друг друга.
Что такое квантовый мир? Это значит, что если мы попробуем полностью описать свойства нашего мира, то нам придётся использовать уравнения и понятийный аппарат квантовой теории. Понятийный аппарат — это значит, что величины, с которыми нам придётся работать, не будут привычными. Потому что у квантовой частицы нет точно определённых координат, обычно нет точно определённой энергии, всё описывается какими-то вероятностными законами, какими-то непонятными переменными, которые называются «волновой функцией» и т.д. Наш мир квантовый — это значит, что его нельзя описать как совокупность «шариков» и «пружинок», каких-то понятных частиц. Наш мир познаваем, описываем, но его очень трудно описать с помощью нашей обычной картины, он контринтуитивен. Остается согласится со строками Иосифа Бродского из стихотворения «Пилигримы»:
...мир останется вечным,
может быть, постижимым,
но все-таки бесконечным.
Подписывайтесь на наш телеграм-канал — там больше интересного.
#наука #физика #исследования #нобелевскаяпремия #политехническиймузей