Телепортация реальна: нобелиаты опровергли идеи Эйнштейна Долгожданное и заслуженное — так называют решение Нобелевского комитета по физике в этом году. Главной научной награды мира удостоились трое ученых, создавших фундамент квантовой эры, в которую вступает человечество. Серией экспериментов лауреаты доказали, что Альберт Эйнштейн был не прав.
Ошибка гения
Десять миллионов шведских крон, или около 900 тысяч долларов по текущему курсу, разделят француз Ален Аспе (75 лет), американец Джон Клаузер (79) и австриец Антон Цайлингер (77).
Согласно официальной формулировке, премию присудили им «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».
«Мы уже живем в квантовом веке. Нобелевский комитет подтвердил фундаментальное значение нашей области науки», — говорит старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации Сколтеха Игорь Захаров.
«Примечательно, что это произошло практически через 100 лет после Нобелевской премии Альберта Эйнштейна, который также получил ее за достижения в области квантовой физики, хотя идеологически не был с ней до конца согласен», — отмечает руководитель теоретической группы Российского квантового центра и Университета МИСИС Алексей Федоров.
Основатель теории относительности внес большой вклад в квантовую механику своей теорией фотоэффекта. В 1922-м Эйнштейну вручили за эту работу высшую научную награду.
Но он спорил с создателями квантовой механики — Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом и другими. В 1935-м Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью «Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?», сформулировав там так называемый ЭПР-парадокс (по первым буквам фамилий авторов этой работы).
«Представьте две частицы (обычно рассматривают фотоны), связанные определенным образом. Когда они сталкиваются и затем разлетаются, действует закон сохранения энергии: если спин (направление вращения) первого фотона направлен в одну сторону, то спин второго — в противоположную. То есть сумма их вращения равна нулю. И если измерить частицу в одном месте, мгновенно будет известен результат измерений в другом. Это соответствует классической физике. Но в квантовой физике свойство „направление вращения“ фиксируется измерением первой частицы.
Прибор может выбрать любое направление вращения. Вторая связанная частица магическим образом узнает, как вертится первая, и крутится в противоположную сторону. Это и есть ЭПР-парадокс», — рассказывает Захаров.
На сайте Нобелевского комитета объясняют: запутанные пары можно сравнить с машиной, которая выбрасывает шарики разных цветов в противоположных направлениях. Когда мальчик ловит черный мяч, он сразу понимает, что девочка поймала белый. Согласно классической физике, шары всегда были такими, а мы просто ликвидируем свое незнание их цвета. Однако квантовая механика утверждает, что шары не имели определенного цвета до тех пор, пока кто-то не посмотрел на них. И только тогда один случайным образом стал белым, а другой — черным.
Скрытые переменные и квантовая механика
Причем насколько далеки два кванта друг от друга, не имеет значения.
«Эйнштейн рассуждал: если это так, значит, мы допускаем, что скорость света не является основным ограничением скорости передачи информации. Он считал квантовую механику неполной. То есть следовало найти некие скрытые переменные, которые и определяют результат экспериментов», — уточняет Захаров.
Квантовый мир победил
В 1964-м североирландский физик Джон Стюарт Белл доказал, что существует тип эксперимента, способный установить, возможно ли описание мира, отличное от чисто квантово-механического. Если неизвестные переменные есть, то такой эксперимент, повторенный несколько раз, даст определенное статистическое значение. Эта теорема известна как неравенства Белла.
«Эксперименты нынешних нобелиатов продемонстрировали: неравенства Белла нарушаются. Мир квантовый, и нам придется с этим жить», — говорит Станислав Страупе, руководитель сектора квантовых вычислений ЦКТ МГУ.
Заслуга Джона Клаузера в том, что он первым провел реалистичный опыт, выявивший нарушение неравенств Белла. В 1972-м американский физик построил аппарат, испускавший одновременно два запутанных фотона. Частицы под некоторым углом направляли на фильтры, устроенные наподобие солнечных очков: они блокировали свет, поляризованный в определенной плоскости.
Фотоны были с параллельной поляризацией, направление которой и устанавливали с помощью фильтров.
Однако у эксперимента имелся недостаток: фильтры были зафиксированы. Наблюдатель мог подвергнуть результаты сомнению: что, если установка каким-то образом выбрала частицы с сильной корреляцией и проигнорировала другие?
Схемы экспериментов нобелиатов
Ален Аспе усовершенствовал методику Клаузера. Он регистрировал и те фотоны, которые через фильтр не прошли. Французский ученый направлял частицы к двум фильтрам, установленным под разными углами. Тумблеры задавали направление фотонам уже после того, как те вылетели из источника. Это происходило за миллиардные доли секунды, что исключало даже теоретическую возможность подделки результатов. Таким образом, «полноценность» квантовой механики была доказана.
Работы Антона Цайлингера открывают путь к практическому применению знаний о свойствах запутанных частиц.
«Мы не можем посылать сигнал быстрее скорости света. Эйнштейн здесь абсолютно прав. Но если мы заранее позаботимся о том, чтобы передать на большое расстояние связанные частицы, то сумеем манипулировать их состоянием. Сама манипуляция, или, как мы говорим, телепортация, происходит мгновенно. Она действительно не зависит от скорости света или каких-то других ограничений», — объясняет Захаров.
Квантовая телепортация происходит, когда одна из двух запутанных частиц, разлетевшихся в разные стороны, встречается и «запутывается» с третьей. При этом первая частица, оставшаяся в одиночестве, приобретает свойства третьей — а та, в свою очередь, теряет идентичность. Впервые такой эксперимент выполнили Цайлингер и его коллеги в 1997-м. Позже ученый на практике отработал передачу квантовой информации по оптоволоконной и спутниковой связи.
Квантовая механика в народном хозяйстве
Системы связи — наиболее перспективная область применения квантовых технологий.
«Сигналы кодируются в одиночные квантовые объекты, например кванты света — фотоны. Это гарантирует, что любое вмешательство в процесс передачи информации не останется незамеченным. Тем самым можно создать системы, в которых информация заведомо защищена», — рассказывает Алексей Федоров.
В этих технологиях заинтересованы правительственные структуры. Есть и коммерческий потенциал.
«Квантовая связь уже вполне успешно работает, существуют соответствующие устройства. Сейчас проблема в экономической целесообразности. Не для всех приложений имеет смысл переходить на более дорогостоящую технологию — только для самых критически значимых. И вопрос в том, насколько быстро удастся ее удешевить, чтобы она получила более широкое распространение. Устройства производят несколько компаний, в том числе и в России», — отмечает Страупе.
Захаров добавляет, что по квантовой связи не станут пересылать большие массивы данных. «Будут передавать ключ. Скажем, тысячу байтов. А остальное — как угодно, информацию не раскрыть без ключа. Но технология по-прежнему сложная», — говорит он.
Второе направление, где стоит ожидать прорыва в ближайшие годы, — квантовые компьютеры. Несколько научных групп из разных стран пытаются достичь так называемого квантового превосходства, то есть способности решать задачи, недоступные классическим вычислительным машинам.
СМИ несколько раз за последние годы сообщали об успехе, однако затем это опровергали.
«Квантовое превосходство — это moving target (движущаяся цель). Классические алгоритмы симуляции квантовых систем тоже развиваются. Это некая гонка, динамический процесс. В какой-то момент считалось невозможным простимулировать квантовый процессор компании Google. Но конкуренты это сделали, — поясняет Страупе. — Следом китайцы представили квантовый процессор с большим числом кубитов. И так далее. Но понятно, что рано или поздно этого превосходства достигнут. Сейчас мы на грани этого».
По мнению Захарова, речь идет о ближайшем десятилетии. Ожидается, что квантовое превосходство позволит совершить качественный скачок в области моделирования материалов, предсказания поведения сложных систем, машинного обучения, оптимизации.
Развивается и квантовая сенсорика. «Это возможность за счет квантовых эффектов, в том числе квантовой запутанности, с беспрецедентной точностью измерять различные параметры, такие как время (что важно для систем глобального позиционирования) или электромагнитные поля (для биомедицинских приложений)», — говорит Федоров.
«С теорией у российской науки все нормально»
В 2020-м в России утвердили дорожную карту развития квантовых технологий. Выделили 51,1 миллиарда рублей. Для сравнения: в США конгресс утвердил проект на 20 миллиардов долларов, в Европе действует программа Quantum Flagship с бюджетом более трех миллиардов евро, в Китае создают Национальную квантовую лабораторию с предполагаемым финансированием в 12 миллиардов долларов. В то же время частные компании на Западе получают на такие разработки огромные суммы от венчурных фондов.
В рамках российской программы планируется развивать и квантовую связь, и вычисления, и сенсорику. Уже создали квантовый симулятор на базе 11 кубитов (кубит — наименьшая единица информации в квантовом компьютере). Но для практического применения нужен квантовый компьютер с тысячами кубитов. По оценке специалистов, разработать такую машину получится в лучшем случае к концу десятилетия.
«С точки зрения экспериментов у нас тоже есть свои победы, но они пока достаточно скромные. США, Канада, Япония и Китай в этой области впереди, — признает Захаров. — А вот с теорией у российской науки все нормально, не отстаем. Мы следим за тем, что происходит, участвуем в разработках, пишем свои статьи и публикуем их в международных научных журналах».
По его словам, в области квантовой физики сотрудничество с западными коллегами не прекращается даже в нынешней сложной ситуации.
https://rusvesna.su/news/1638113294
