Нобелевскую премию по физике присудили трем физикам — американцу Джону Клаузеру, французу Алену Аспе и австрийцу Антону Цайлингеру — за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике
Запутанность — пожалуй, одно из самых загадочных физических явлений. Оно означает, что, если у нас есть две частицы общего происхождения, мы можем измерить состояние одной частицы и по нему предсказать состояние другой. Загадка запутанных частиц немало озадачила физиков в 1930-х годах. Эйнштейн даже назвал это явление "жутким действием на расстоянии". Что же тут было жуткого?
Дело в том, что, согласно теории относительности, никакая частица не может передвигаться быстрее скорости света. А значит, передача информации быстрее этого предела тоже невозможна. Однако в квантовом мире этот принцип как будто не соблюдается: одна из связанных частиц мгновенно отвечает на изменение свойств другой, не передавая информацию. Этот принцип получил название нелокальности.
Часть ученых (в том числе Эйнштейн) пытались найти какой-то неизвестный физический закон, который бы объяснил такое мгновенное изменение. Ведь иначе получалось бы, что квантовый мир подчиняется совершенно иным законам, чем макромир. Долгое время этот спор был чисто теоретическим, но в 1960-х годах физик Джон Стюарт Белл предложил экспериментальный способ проверки.
Под внешним воздействием атом должен был синхронно испустить две частицы (например, фотона) строго в противоположных направлениях. После этого нужно было уловить эти частицы и определить направление спина (оси вращения) каждой — и сделать это тысячекратно, чтобы накопить достаточную статистику для подтверждения или опровержения существования того самого скрытого параметра.
Между показаниями детекторов должен быть определенный уровень корреляции: если один зафиксировал спин вверх, второй зафиксирует спин вниз, и наоборот. Белл обнаружил, что в квантовом мире уровень корреляций больше, чем в мире, где действовали бы неизвестные скрытые параметры. Джон Клаузер одним из первых доказал правоту квантовой механики, получив более высокий уровень корреляции. Интерпретация Эйнштейна оказалась опровергнута.
Результаты Клаузера позже закрепил и развил его французский коллега Ален Аспе. Антон Цайлингер продемонстрировал, как с помощью квантовой запутанности можно мгновенно передать состояние одной частицы другой (по сути, превратить ее в "частицу-близнеца"). Этот эффект — его называют квантовой телепортацией — сегодня активно используется для разработки новых квантовых компьютеров и в квантовой криптографии (шифровании).
Классический компьютер в вычислениях оперирует битами с двоичным значением — "0" либо "1". Квантовый оперирует кубитами, которые могут одновременно иметь значение и "0", и "1". На практике это означает, что такой процессор может передавать и обрабатывать гораздо большие объемы информации. До создания полноценного квантового компьютера еще далеко, но эксперименты с кубитами продолжаются.