Генеральный секретарь Шведской королевской академии наук Ханс Эллегрен (в центре), Ева Олссон (слева) и Торс Ханс Ханссон, члены Нобелевского комитета по физике, объявляют лауреата Нобелевской премии по физике 2022 года (слева направо на экране) Ален Аспект, Джон Ф. Клаузер и Антон Цайлингер, во время пресс-конференции в Шведской королевской академии наук в Стокгольме, Швеция, вторник, 4 октября 2022 г. Фото: Йонас Экстромер / информационное агентство TT через AP.

«Квантовая информатика — динамичная и быстро развивающаяся область, — сказала Ева Олссон, член Нобелевского комитета. «Это имеет широкие и потенциальные последствия в таких областях, как безопасная передача информации, квантовые вычисления и сенсорные технологии».

«Его происхождение можно проследить до квантовой механики», — сказала она. «Его предсказания открыли двери в другой мир, а также потрясли самые основы того, как мы интерпретируем измерения».

Выступая по телефону на пресс-конференции после объявления, Цайлингер сказал, что он «все еще немного шокирован», узнав, что получил награду.

«Но это очень позитивный шок», — сказал 77-летний Цайлингер, работающий в Венском университете.

Клаузер, Аспект и Цайлингер фигурировали в нобелевских спекуляциях уже более десяти лет. В 2010 году они получили премию Вольфа в Израиле, которую считают возможным предшественником Нобелевской премии.

В то время как физики часто решают проблемы, которые на первый взгляд кажутся далекими от повседневных забот, — крошечные частицы и огромные тайны пространства и времени, — их исследования обеспечивают основу для многих практических применений науки.

В прошлом году премия была присуждена трем ученым — Сюкуро Манабе, Клаусу Хассельманну и Джорджио Паризи, чьи работы помогли объяснить и предсказать сложные силы природы, тем самым расширив наше понимание изменения климата.

Неделя объявления Нобелевской премии началась в понедельник, когда шведский ученый Сванте Паабо получил награду в области медицины в понедельник за раскрытие секретов ДНК неандертальцев, которые позволили получить ключевое представление о нашей иммунной системе.

Они продолжают химию в среду и литературу в четверг. Нобелевская премия мира 2022 года будет объявлена ​​в пятницу, а премия по экономике — 10 октября.

Премия включает в себя денежное вознаграждение в размере 10 миллионов шведских крон (почти 900 000 долларов США) и будет вручено 10 декабря. Деньги получены из завещания, оставленного создателем приза, шведским изобретателем Альфредом Нобелем, который умер в 1895 году.

Пресс-релиз Нобелевского комитета: Нобелевская премия по физике 2022 г.

Шведская королевская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по физике 2022 г.

Ален Аспект

Университет Париж-Сакле и
Политехническая школа, Палезо, Франция

Джон Ф. Клаузер

JF Clauser & Assoc., Уолнат-Крик, Калифорния, США

Антон Цайлингер

Венский университет, Австрия

«за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике»

Запутанные состояния — от теории к технологии

Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер провели новаторские эксперименты с использованием запутанных квантовых состояний, когда две частицы ведут себя как единое целое, даже когда они разделены. Их результаты расчистили путь для новых технологий, основанных на квантовой информации .

Невыразимые эффекты квантовой механики начинают находить применение. В настоящее время существует обширная область исследований, включающая квантовые компьютеры, квантовые сети и безопасную связь с квантовым шифрованием.

Одним из ключевых факторов в этом развитии является то, как квантовая механика позволяет двум или более частицам существовать в так называемом запутанном состоянии . То, что происходит с одной из частиц в запутанной паре, определяет то, что происходит с другой частицей, даже если они находятся далеко друг от друга.

Долгое время вопрос заключался в том, была ли корреляция связана с тем, что частицы в запутанной паре содержали скрытые переменные, инструкции, сообщающие им, какой результат они должны дать в эксперименте. В 1960-х годах Джон Стюарт Белл разработал математическое неравенство, названное в его честь. Это говорит о том, что при наличии скрытых переменных корреляция между результатами большого количества измерений никогда не превысит определенного значения. Однако квантовая механика предсказывает, что определенный тип эксперимента нарушит неравенство Белла, что приведет к более сильной корреляции, чем это было бы возможно в противном случае.

Джон Клаузер развил идеи Джона Белла, что привело к практическому эксперименту. Когда он провел измерения, они подтвердили квантовую механику, явно нарушив неравенство Белла. Это означает, что квантовую механику нельзя заменить теорией, использующей скрытые переменные.

Некоторые лазейки остались после эксперимента Джона Клаузера. Ален Аспект разработал установку, используя ее таким образом, чтобы закрыть важную лазейку. Он смог переключить настройки измерения после того, как запутанная пара покинула свой источник, поэтому настройка, существовавшая в момент их испускания, не могла повлиять на результат.

Используя усовершенствованные инструменты и длинную серию экспериментов, Антон Цайлингер начал использовать запутанные квантовые состояния. Среди прочего, его исследовательская группа продемонстрировала явление, называемое квантовой телепортацией, которое позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии.

«Становится все более очевидным, что появляется новый тип квантовой технологии. Мы видим, что работа лауреатов с запутанными состояниями имеет большое значение, даже помимо фундаментальных вопросов интерпретации квантовой механики », — говорит Андерс Ирбек, председатель Нобелевского комитета по физике.

Как запутанность стала мощным инструментом

Используя новаторские эксперименты, Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер продемонстрировали потенциал для исследования и контроля частиц, находящихся в запутанных состояниях. То, что происходит с одной частицей в запутанной паре, определяет то, что происходит с другой, даже если они находятся слишком далеко друг от друга, чтобы влиять друг на друга. Разработка лауреатами экспериментальных инструментов заложила основу для новой эры квантовых технологий.

Основы квантовой механики — это не просто теоретический или философский вопрос. В настоящее время ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на использование особых свойств отдельных систем частиц для создания квантовых компьютеров, улучшения измерений, создания квантовых сетей и установления безопасной связи с квантовым шифрованием.

Многие приложения основаны на том, как квантовая механика позволяет двум или более частицам существовать в общем состоянии, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. Это называется запутанностью и является одним из самых обсуждаемых элементов квантовой механики с тех пор, как была сформулирована теория. Альберт Эйнштейн говорил о жутком действии на расстоянии, а Эрвин Шредингер сказал, что это самая важная черта квантовой механики.

Лауреаты этого года исследовали эти запутанные квантовые состояния, и их эксперименты заложили основу революции, происходящей в настоящее время в квантовых технологиях.

Вдали от повседневного опыта

Когда две частицы находятся в запутанных квантовых состояниях, тот, кто измеряет свойство одной частицы, может немедленно определить результат эквивалентного измерения другой частицы без необходимости проверки.

Что делает квантовую механику такой особенной, так это то, что ее эквиваленты шарам не имеют определенных состояний, пока они не будут измерены. Как будто оба шара серые, ровно до тех пор, пока кто-нибудь не посмотрит на один из них. Затем он может случайным образом взять либо все черные, к которым имеет доступ пара шаров, либо показать себя белым. Другой шар сразу становится противоположного цвета.

Но откуда может быть известно, что изначально шары не имели заданного цвета? Даже если они казались серыми, возможно, у них была скрытая этикетка внутри, говорящая, какого цвета они должны становиться, когда кто-то смотрит на них.

Существует ли цвет, когда никто не смотрит?

Запутанные пары квантовой механики можно сравнить с машиной, которая выбрасывает шарики противоположных цветов в противоположных направлениях. Когда Боб ловит мяч и видит, что он черный, он сразу понимает, что Алиса поймала белый. В теории, использующей скрытые переменные, шары всегда содержали скрытую информацию о том, какой цвет показывать. Однако квантовая механика говорит, что шары были серыми, пока кто-то не посмотрел на них, когда один случайным образом стал белым, а другой черным. Неравенства Белла показывают, что существуют эксперименты, позволяющие различать эти случаи. Такие эксперименты доказали, что описание квантовой механики верно.

Важной частью исследования, получившего в этом году Нобелевскую премию по физике, является теоретическое открытие, называемое неравенствами Белла. Неравенства Белла позволяют провести различие между неопределенностью квантовой механики и альтернативным описанием с использованием секретных инструкций или скрытых переменных. Эксперименты показали, что природа ведет себя так, как предсказывает квантовая механика. Шары серые, без какой-либо секретной информации, и случай определяет, какой из них станет черным, а какой белым в ходе эксперимента.

Самый важный ресурс квантовой механики

Запутанные квантовые состояния обладают потенциалом для новых способов хранения, передачи и обработки информации.

Интересные вещи происходят, если частицы в запутанной паре движутся в противоположных направлениях, а затем одна из них встречает третью частицу таким образом, что они запутываются. Затем они входят в новое общее состояние. Третья частица теряет свою идентичность, но ее первоначальные свойства теперь передаются одиночной частице от исходной пары. Такой способ передачи неизвестного квантового состояния от одной частицы к другой называется квантовой телепортацией. Этот тип эксперимента был впервые проведен в 1997 году Антоном Цайлингером и его коллегами.

Примечательно, что квантовая телепортация — единственный способ передать квантовую информацию из одной системы в другую без потери какой-либо ее части. Совершенно невозможно измерить все свойства квантовой системы, а затем отправить информацию получателю, который хочет реконструировать систему. Это связано с тем, что квантовая система может содержать несколько версий каждого свойства одновременно, где каждая версия имеет определенную вероятность появления во время измерения. Как только измерение проведено, остается только одна версия, а именно та, которую считывал измерительный прибор. Остальные исчезли, и узнать о них что-либо невозможно. Однако совершенно неизвестные квантовые свойства могут быть переданы с помощью квантовой телепортации и остаться нетронутыми в другой частице.

Как только это было показано экспериментально, следующим шагом было использование двух пар запутанных частиц. Если по одной частице из каждой пары сблизить определенным образом, невозмущенные частицы в каждой паре могут запутаться, несмотря на то, что они никогда не соприкасались друг с другом. Этот обмен запутанностью был впервые продемонстрирован в 1998 году исследовательской группой Антона Цайлингера.

Запутанные пары фотонов, частицы света, могут быть отправлены в противоположных направлениях по оптическим волокнам и функционировать как сигналы в квантовой сети. Запутанность между двумя парами позволяет увеличивать расстояния между узлами в такой сети. Существует предел расстояния, на которое фотоны могут быть отправлены через оптическое волокно, прежде чем они будут поглощены или потеряют свои свойства. Обычные световые сигналы могут усиливаться по пути, но с запутанными парами это не работает. Усилитель должен захватывать и измерять свет, который разрушает запутанность. Однако обмен запутанностью означает, что можно отправить исходное состояние дальше, тем самым передавая его на более длинные расстояния, чем это было бы возможно в противном случае.

Запутанные частицы, которые никогда не встречались

Две пары запутанных частиц испускаются из разных источников. Одна частица из каждой пары особым образом сближается, что их запутывает. Две другие частицы (1 и 4 на диаграмме) также запутываются. Таким образом, две частицы, которые никогда не соприкасались, могут запутаться.

От парадокса к неравенству

Этот прогресс основывается на многолетнем развитии. Все началось с ошеломляющего понимания того, что квантовая механика позволяет разделить единую квантовую систему на части, которые отделены друг от друга, но при этом действуют как единое целое.

Это противоречит всем обычным представлениям о причине и следствии и природе реальности. Как может на что-то повлиять событие, происходящее где-то в другом месте, и при этом до него не может дойти какой-либо сигнал от него? Сигнал не может двигаться быстрее света, но в квантовой механике сигнал не нужен для соединения различных частей расширенной системы.

Альберт Эйнштейн считал это невозможным и исследовал это явление вместе со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном. Они представили свои рассуждения в 1935 году: квантовая механика не дает полного описания реальности. Это стало называться парадоксом ЭПР по инициалам исследователей.

Вопрос заключался в том, может ли быть более полное описание мира, где квантовая механика — лишь одна часть. Это могло бы, например, работать через частицы, всегда несущие скрытую информацию о том, что они покажут в результате эксперимента. Все измерения затем показывают свойства, которые существуют именно там, где проводятся измерения. Этот тип информации часто называют локальными скрытыми переменными.

Североирландский физик Джон Стюарт Белл (1928–1990), работавший в ЦЕРНе, европейской лаборатории физики элементарных частиц, более внимательно изучил эту проблему. Он обнаружил, что существует тип эксперимента, который может определить, является ли мир чисто квантово-механическим или может быть другое описание со скрытыми переменными. Если его эксперимент повторяется много раз, все теории со скрытыми переменными показывают корреляцию между результатами, которая должна быть ниже определенного значения или, самое большее, равняться ему. Это называется неравенством Белла.

Однако квантовая механика может нарушить это неравенство. Он предсказывает более высокие значения корреляции между результатами, чем это возможно с помощью скрытых переменных.

Джон Клаузер заинтересовался основами квантовой механики, будучи студентом в 1960-х годах. Он не мог избавиться от идеи Джона Белла, как только прочитал о ней, и, в конце концов, он и трое других исследователей смогли представить предложение реалистичного типа эксперимента, который можно использовать для проверки неравенства Белла.

Эксперимент включает отправку пары запутанных частиц в противоположных направлениях. На практике используются фотоны, обладающие свойством, называемым поляризацией. Когда частицы испускаются, направление поляризации не определено, и все, что можно сказать наверняка, это то, что частицы имеют параллельную поляризацию. Это можно исследовать с помощью фильтра, пропускающего поляризацию, ориентированную в определенном направлении (см. рисунок «Экспериментирование с неравенствами Белла»). Этот эффект используется во многих солнцезащитных очках, которые блокируют свет, поляризованный в определенной плоскости, например, путем отражения воды.

Если обе частицы в эксперименте направить на фильтры, ориентированные в одной плоскости, например, вертикально, и одна проскользнет, ​​то пройдёт и другая. Если они находятся под прямым углом друг к другу, один будет остановлен, а другой пройдет. Хитрость заключается в измерении с фильтрами, установленными в разных направлениях под скошенными углами, так как тогда результаты могут различаться: иногда проскальзывают оба, иногда только один, а иногда ни один. Насколько часто обе частицы проходят через фильтр, зависит от угла между фильтрами.

Квантовая механика приводит к корреляции между измерениями. Вероятность прохождения одной частицы зависит от угла наклона фильтра, проверяющего поляризацию ее партнера на противоположной стороне экспериментальной установки. Это означает, что результаты обоих измерений под некоторыми углами нарушают неравенство Белла и имеют более сильную корреляцию, чем если бы результаты определялись скрытыми переменными и были бы уже предопределены, когда частицы испускаются.

Нарушенное неравенство

Джон Клаузер немедленно приступил к проведению этого эксперимента. Он построил аппарат, испускавший два запутанных фотона одновременно, каждый из которых направлялся к фильтру, который проверял их поляризацию. В 1972 году вместе с докторантом Стюартом Фридманом (1944–2012) он смог показать результат, который явно нарушал неравенство Белла и согласовывался с предсказаниями квантовой механики.

В последующие годы Джон Клаузер и другие физики продолжали обсуждать эксперимент и его ограничения. Одно из них заключалось в том, что эксперимент в целом был неэффективен как в отношении производства, так и в отношении захвата частиц. Измерение также было предварительно установлено с фильтрами под фиксированными углами. Таким образом, существовали лазейки, с помощью которых наблюдатель мог подвергнуть сомнению результаты: что, если экспериментальная установка каким-то образом выбрала частицы, у которых оказалась сильная корреляция, и не обнаружила другие? Если это так, частицы все еще могут нести скрытую информацию.

Устранить эту конкретную лазейку было сложно, потому что переплетенные квантовые состояния очень хрупкие и ими трудно управлять; необходимо иметь дело с отдельными фотонами. Французский докторант Ален Аспект не испугался и построил новую версию установки, которую он усовершенствовал за несколько итераций. В своем эксперименте он мог регистрировать фотоны, прошедшие через фильтр, и те, которые не прошли. Это означало, что было обнаружено больше фотонов, а измерения стали лучше.

В последнем варианте своих тестов он также смог направить фотоны к двум разным фильтрам, установленным под разными углами. Изящество было механизмом, который переключал направление запутанных фотонов после того, как они были созданы и испущены из своего источника. Фильтры находились всего в шести метрах, поэтому переключение должно было произойти за несколько миллиардных долей секунды. Если бы информация о том, к какому фильтру попал фотон, влияла на то, как он был испущен из источника, он не попал бы к этому фильтру. Информация о фильтрах на одной стороне эксперимента также не могла попасть на другую сторону и там повлиять на результат измерения.

Таким образом, Ален Аспект закрыл важную лазейку и дал очень четкий результат: квантовая механика верна и скрытых переменных нет.

Эпоха квантовой информации

Эпоха квантовой информации Эти и подобные эксперименты заложили основу для нынешних интенсивных исследований в области квантовой информатики.

Возможность манипулировать и управлять квантовыми состояниями и всеми их слоями свойств дает нам доступ к инструментам с неожиданным потенциалом. Это основа для квантовых вычислений, передачи и хранения квантовой информации и алгоритмов квантового шифрования. В настоящее время используются системы с более чем двумя запутанными частицами, которые первыми исследовали Антон Цайлингер и его коллеги.

Эксперименты с неравенствами Белла

Позже Антон Цайлингер провел дополнительные проверки неравенств Белла. Он создал запутанные пары фотонов, направив лазер на специальный кристалл, и использовал случайные числа для переключения между настройками измерения. В одном эксперименте использовались сигналы от далеких галактик для управления фильтрами и обеспечения того, чтобы сигналы не влияли друг на друга.
Эти все более совершенные инструменты еще больше приближают реалистичные приложения. В настоящее время продемонстрированы запутанные квантовые состояния между фотонами, которые были отправлены через десятки километров оптического волокна, а также между спутником и наземной станцией. За короткое время исследователи всего мира нашли множество новых способов использования самого мощного свойства квантовой механики.

Первая квантовая революция дала нам транзисторы и лазеры, но теперь мы вступаем в новую эру благодаря современным инструментам для управления системами запутанных частиц.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org