Фотон на память: за что дали Нобеля по физике
Нобелевскую премию по физике в 2022 году разделили между собой трое ученых — Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер. Каждый из них независимо друг от друга проводил эксперименты с находящимися в особом состоянии частицами. Результаты исследований легли в основу технологий квантовых компьютеров и коммуникаций. Благодаря работам ученых стало возможным создание особо защищенных линий связи и вычислительных машин, теоретически намного более мощных, чем современные. Специалисты ожидают значительного прогресса в этой области уже через несколько лет, с чем, возможно, и связано вручение награды.
Очевидное и вероятное
Нобелевская премия по физике 2022 года присуждена трем ученым: профессору парижской Политехнической школы Алену Аспе, американскому специалисту по квантовой механике Джону Ф. Клаузеру и Антону Цайлингеру из Венского университета за эксперименты с запутанными фотонами, исследование нарушений неравенств Белла и работы о квантовой информатике. Каждый из них получил по трети награды. В комитете престижнейшей научной премии объяснили, что все трое ученых провели «новаторские эксперименты с использованием запутанных квантовых состояний, когда две частицы ведут себя как единое целое, даже когда они разделены».
Основой для экспериментов лауреатов стали свойства света. Споры о природе света шли не одно столетие — ученые не могли определиться, является ли он волной или это частицы. В каких-то экспериментах были видны свойства света как частицы, а в каких-то — как волны. Окончательно этот вопрос разрешился благодаря появлению квантовой физики. Стало ясно, что свет — это одновременно и частица, и волна.
Лауреат Нобелевской премии по физике Антон Цайлингер
Более того, стало возможным создать и изучить так называемые запутанные состояния фотонов. Для этого использовалось спонтанное параметрическое рассеяние, в результате которого из одного фотона рождалась пара частиц, взаимосвязанных (или, как говорят физики, коррелирующих) между собой. Природа этой корреляции — квантовая. Если, скажем, у одного фотона поляризация (характеризует направление электромагнитной волны) была вертикальной, то у другого она будет горизонтальной. Но до момента измерения неизвестно, у какого фотона какая поляризация. Все выглядит так, будто фотоны не имеют поляризации (до измерения) и одновременно имеют противоположную поляризацию (после него).
Для понимания сути открытия можно привести забавный пример. Когда человек надевает носок на левую ногу, второй носок автоматически становится правым. Когда наш герой определяется, какой носок на какую ногу ему надеть, то руководствуется какой-то мыслью — то есть возникает некоторая химическая реакция, вследствие которой происходит выбор. То есть существует некий скрытый параметр, который предопределил, какой носок на какую ногу будет надет. В квантовом случае такого скрытого параметра просто нет.
И за проверку того, что нет ничего, что заранее наделило бы систему каким-то параметрами, и получили в 2022 году Нобелевскую премию по физике трое ученых. Неравенства Белла как раз размечают границу между классическими явлениями и квантовыми. Если неравенство нарушается, значит явление — квантовое, если не нарушается — классическое.
Фотоны, липкая лента и суперкомпьютеры
Ученые провели свои работы в начале 1980-х годов. Они экспериментально подтвердили связь удаленных друг от друга квантовых систем, то есть фотонов. Американец Джон Клаузер использовал липкую ленту, чтобы измерить квантовую запутанность. Он испустил тысячи фотонов в противоположных направлениях и измерил поляризацию их пар. Оказалось, что они действительно связаны друг с другом и буквально действуют согласованно.
Спустя 10 лет французский ученый Ален Аспе продолжил такие исследования со своей командой из Парижского университета. Именно он первым реализовал неравенство Белла на практике. В 1998 году доктор Цайлингер, австрийский физик, провел еще один эксперимент, в котором изучалась запутанность трех или более частиц. Комментируя вручение премии, он заявил: «Мой совет: делайте то, что вам интересно, и не слишком заботьтесь о возможных применениях».
Лауреат Нобелевской премии по физике Ален Аспе
Впрочем, как оказалось, практическая область применения открытий весьма широка. Руководитель центра компетенций Национальной технологической инициативы «Квантовые технологии» на базе МГУ Сергей Кулик рассказал, что есть три главных направления: квантовые коммуникации, квантовые вычисления и квантовые сенсоры, и во всех них запутанные фотоны играют основополагающую роль.
— Главное достижение лауреатов Нобелевской премии по физике — в том, что это первая экспериментальная реализация перепутанных состояний фотонов, которые за последние 30 лет легли в основу конкретных устройств, — пояснил эксперт. — На основе неравенства Белла построено несколько протоколов квантовой связи и квантовая коммуникация. Уже есть приборы и устройства, которые устанавливают протоколы защищенной связи на основе таких пар перепутанных фотонов. В квантовых вычислениях перепутанные фотоны помогают при выполнении алгоритмов.
Квантовые компьютеры используют запутанность трех и более фотонов — чем больше таких частиц, тем выше потенциальная вычислительная мощность машины. Другое дело, что и управлять состоянием системы становится намного сложнее.
Тайное стало явным
Руководитель лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС, руководитель научной группы РКЦ Алексей Федоров отметил, что, например, работы Антона Салингера легли в основу того, как сейчас функционируют спутники, позволяющие передавать квантовые сигналы. Такие эксперименты по передаче информации проводились между Пекином и Веной. По мнению специалиста, квантовые коммуникации — наиболее важная область новых разработок за счет высокой степени защищенности. Благодаря связи фотонов в случае вмешательства в работу системы оператор об этом сразу узнает.
— Квантовые компьютеры уже входят в ту стадию, когда по отдельным задачам они становятся конкурентоспособны с мощными суперкомпьютерами. Можно осторожно предположить, что мы войдем в нее в течение трех-пяти лет, — сказал ученый. — Мы приближаемся к фазе того, что называется квантовое превосходство. Первые эксперименты с разными системами демонстрировались в начале 2019 года, поэтому мы сейчас находимся на некоем важном рубеже. Отмечу, что те задачи, которые квантовые компьютеры решают быстрее, абстрактны, то есть пока они не носят какого-то практического или экономического смысла.
Лауреат Нобелевской премии по физике Джон Ф. Клаузер
Если говорить о квантовых компьютерах и вычислениях, то исследования лауреатов премии имеют к ним опосредованное отношение, добавил академик РАН, заведующий отделом Математического института им. В.А. Стеклова РАН, руководитель гранта РНФ Александр Холево.
— В этих отраслях еще много чего предстоит сделать, чтобы можно было выполнять вычисления, превосходящие те, которые можно выполнить на классических компьютерах, — пояснил эксперт. — Квантовая запутанность — это некий первоначальный элемент картины, явление, которое отсутствует в классической механике. Но именно оно может присутствовать в операциях, которые выполняют квантовые компьютеры.
В среду, 6 октября, объявят лауреатов Нобелевской премии по химии.
