Стаття Фізика — 05 жовтня, 2022

Нобелівка-2022: Фізика: експерименти із заплутаними фотонами

ТЕКСТ:

ІЛЮСТРАЦІЇ: Каталіна Маєвська

Нобелівський комітет з фізики присудив премію 2022 року за «експерименти з заплутаними фотонами, встановлення порушення нерівностей Белла та новаторство у квантовій інформаційній науці». Премію розділили між собою фізики Ален Аспе, Джон Клаузер і Антон Цайлінґер. У чому полягає суть цих досліджень та яке вони мають значення для науки та світу? Про це та історичну дискусію між класичною та квантовою фізикою розповідає провідний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова Національної академії наук України, доктор наук Андрій Семенов.
 
 

Оголошуючи лавреатів цьогорічної Нобелівської премії з фізики, професор Торс Ганс Ганссен почав здалеку – з інтелектуальних баталій між Нільсом Бором та Альбертом Айнштайном. Вони були одними з засновників квантової теорії, хоча Айнштайн також був її невтомним критиком. Філософські корені їхніх дебатів можна знайти ще раніше, у класичній фізиці та її концепції детермінізму, й відстежити до сьогодні.

Сер Ісаак Ньютон, основоположник класичної фізики, розумів, що якщо нам відомі положення та швидкість якогось фізичного тіла в певний момент часу, то все, що з ним трапиться далі, є «вирішеним наперед» або ж детермінованим. Французький природознавець XVIII–XIX століть П’єр Симон Лаплас довів ідею Ньютона до абсолюту. Він вважав, що весь наш Всесвіт можна описати рівняннями. Якщо ми знаємо положення та швидкість кожної частинки у Всесвіті в певний момент часу, то, в принципі, можемо розрахувати, що буде зі Всесвітом та кожним із нас у майбутньому. Насправді ж розв’язати такі рівняння неможливо. Уявний пристрій, який це робить, часто називають демоном Лапласа. Існує цей демон чи ні – неважливо. Головне, що з точки зору класичної фізики, яка була панівною аж до початку XX сторіччя, все, що з нами було, є і буде, «запрограмовано» рівняннями.

Квантова фізика, яка з’явилася на початку XX сторіччя та якій ми завдячуємо сучасним технологічним прогресом, з самого початку суперечила концепції детермінізму, адже містила в собі ймовірності. Айнштайн, як і багато інших дослідників, вважав, що ці ймовірності виникли через неповноту наших знань. Він повністю відкидав ідею про те, що у нашому Всесвіті є місце випадку. Разом із та Айнштайн показав, що в квантовій механіці є певні неузгодженості. «Бог не грає у кості», – повторював він своєму другу та опоненту Нільсу Бору. На що Бор врешті відповів: «Айнштайне, досить вказувати Богу, у що йому грати!». Бор визнавав, що математичні розрахунки в статті Айнштайна, Подольського та Розена є цілком коректними. Але неузгодженості виникають саме через припущення детермінізму. Відмовтеся від постулату «запрограмованості» – і все стане на свої місця.

Дискусія Бора та Айнштайна призвела до деякої невизначеності у фізиці. Розв’язати цю дискусію можна було двома способами. У першому варіанті ми приймаємо той факт, що проблема справді може бути у квантовій фізиці. Але це було б досить дивно, оскільки ця теорія давала і дає результати, що філігранно точно узгоджуються з експериментами. Щобільше, на основі квантової фізики почали з’являтися принципово нові технології, якими ми користуємося й досі. У другому варіанті ми приймаємо недетерміністичну концепцію світу, а з нею – і квантову фізику.

У 1964 році Джон Белл елегантно формалізував цю дискусію. Він отримав певні нерівності — приблизно такі, які ми можемо пригадати зі шкільної програми. Але замість «іксів» та «ігреків», там були величини, які можна було б згодом отримати з експерименту. Якби ці нерівності завжди виконувалися, то з квантовою фізикою було б щось не так, а наш світ був би запрограмований наперед. А от якщо вони порушуються, це означає, що квантова фізика працює, а Бог таки грає зі Всесвітом у кості. Тут, якщо бути педантом, слід додати, що порушення нерівностей Белла означає, що наш світ не описується лише певним видом детерміністичних теорій, що звуться локальними реалістичними моделями. Деякі детерміністичні пояснення трапляються й сьогодні, але це є темою окремої розмови.

Професор Джон Клаузер разом зі своїми колегами був першим, хто зробив крок назустріч експериментальній перевірці порушень нерівностей Белла. Для свого експерименту він використав досить специфічні стани світла, які часто називають поляризаційно-заплутаними фотонами. Світло від джерела у такому випадку розповсюджується двома променями у різних напрямках, властивості яких в теорії мають бути сильно пов’язані між собою. У цьому експерименті такою властивістю була поляризація фотонів. Експериментатор може обирати, у якому саме напрямі він її вимірює. В експерименті Клаузера зі співавторами було доведено, що значення поляризації для одного з променів дійсно було тісно пов’язане зі значенням для іншого. Ба більше, він показав, що нерівності Белла у цьому випадку насправді порушуються. Проте цей експеримент все ще містив певні нюанси, що давали змогу пояснити результати з детерміністичними або навіть локально-реалістичними теоріями.

Ці технічні деталі було виправлено в експерименті професора Алена Аспе зі співавторами. Йому вдалося зробити експеримент так, щоб напрями поляризації змінювалися у випадковий спосіб. Щобільше, налаштування на обох сторонах обиралися майже одночасно. Тому жодний гіпотетичний сигнал не мав можливості передати інформацію про налаштування між сторонами, оскільки його швидкість має бути обмежена фундаментальною границею – швидкістю світла у вакуумі. Отже, світ дійсно виявився недетерміністичним. Або принаймні не локально-реалістичним.

Професор Антон Цайлінґер разом зі своїми колегами відомий величезною кількістю експериментів, що підтверджують порушення локального реалізму. Він разом із Даніелем Ґрінберґером та Майклом Горном запропонував досить цікаве узагальнення експерименту Белла, що дало можливість набагато глибше зрозуміти суть питання. Ба більше, в групі професора Цайлінґера нерівності Белла порушували для частинок світла, що були рознесені на справді великі відстані. Одним із найбільш відомих результатів його групи є експеримент, що підтвердив можливість реалізації так званої квантової телепортації.

Квантова телепортація геть не схожа на те, що показано в серіалі «Star Trek». Насправді це технологія перенесення інформації. Припустимо, у вас на комп’ютері є файл, і ви хочете скопіювати його на флешку. Для цього ви натискаєте «скопіювати» та «вставити». З точки зору теорії інформації таку процедуру більш правильно називати клонуванням, тому що тепер ваш файл існує у двох варіантах – на комп’ютері та на флешці. А от якщо ви натиснете «вирізати» та «вставити», то ваш файл перейде з комп’ютера на флешку і буде існувати в єдиному варіанті.

Маючи квантовий комп’ютер та квантову флешку, ви не зможете клонувати квантовий файл – лише перенести його. Тож він існуватиме в єдиному варіанті на флешці, тоді як на квантовому комп’ютері він зруйнується. Це і є квантова телепортація. На сьогодні ми ще не вміємо «переписувати» квантову інформацію з макроскопічних об’єктів, наприклад, з людини, на якийсь порожній носій. А якби така процедура й існувала, то принципово було б неможливо переписати на порожній об’єкт інформацію без помилок. Тобто герої «Star Trek» при кожному телепортуванні трохи б змінювалися. Втім, ми вже бачимо багато прикладів того, як квантові дослідження змінюють світ у нас на очах.

Наш час іноді називають епохою другої квантової революції. Перша квантова революція дала нам електроніку, атомну енергетику, та багато інших важливих технологій. Друга квантова революція, що відбувається зараз, призводить до появи принципово нових інформаційних технологій. Вже згадана квантова телепортація та її певні модифікації можуть використовуватися для того, щоб два віддалених квантових пристрої з’єднати в один. Такі пристрої, квантові комп’ютери, самі по собі мають бути набагато потужнішими за всі суперкомп’ютери, що зараз існують. А їх об’єднання в мережу відкриває справді цікаві перспективи.

Однією з найбільш важливих квантових технологій є так звана квантова криптографія. Більшість із нас знайома зі звичайною криптографією – тією, що використовується для онлайн-платежів. Вона існує для того, щоб наша інформація, яка передається електронними каналами, не потрапила до третіх осіб. Проблема полягає в тому, що наша безпека в цьому випадку ґрунтується на математичних теоремах, які ніхто ще не довів! Натомість вже було доведено, що велику кількість звичайних протоколів класичної криптографії можна зламати за допомогою квантового комп’ютера.

Дослідження професорів Аспе, Клаузера та Цайлінґера дозволяють створити на практиці такі технології передавання даних, що їхня безпека буде гарантуватися законами квантової механіки. Певні типи відповідних протоколів використовують саме порушення нерівностей Белла, тобто недетерміністичність нашого світу. Квантова криптографія вже сьогодні є комерційною технологією. Вона працює у глобальних масштабах. Наприклад, у 2017 році за її допомогою було встановлено квантовий захищений відеозв’язок між китайською та австрійською академіями наук. Сигнал квантового світла розповсюджувався за допомогою китайського супутника «Micius». Наразі триває активний розвиток та дослідження квантових мереж і безпеки передавання інформації.

Із самого початку дискусія між Айнштайном та Бором ставила фундаментальні питання про реальність як таку. Чи реальна реальність? Чи існує об’єкт у той момент, коли ми його не спостерігаємо? Квантова фізика ставить перед нами ті самі питання й сьогодні. Попри їхню гротескність, за цими питаннями стоять математичні рівняння та цілком конкретні експерименти. Тож вчені продовжують досліджувати квантовий світ, винаходячи все нові технології для того світу, де живемо ми з вами.


Ця публікація створена за підтримки Європейського фонду підтримки демократії (EED). Її зміст не обов’язково відображає офіційну думку EED. Відповідальність за інформацію та погляди, висловлені в цій публікації, повністю несе автор(и).

Популярні статті

Стаття Суспільство — 27 березня

Як Росія завойовувала вплив у країнах Африки

Стаття Космос - 29 лютого

Куншткамера з Девідом Сперґелом про реліктове випромінювання, НАЯ (НЛО) та співпрацю з українськими науковцями

Стаття Пост правди - 25 березня

Пост правди, епізод 7: Анонімність в телеграмі