Квантовая телепортация и запутанные состояния. За что в этом году дали Нобелевскую премию по физике

В этом году Нобелевский комитет присудил самую престижную награду по физике Алену Аспе из Франции, Джону Ф. Клаузеру из США и Антону Цайлингеру из Австрии за их экспериментальные исследования в области квантовой физики.

Их работы, на первый взгляд, не имеют ничего общего с нашей повседневной практикой. Более того, может показаться, что они насмехаются над нашей логикой и здравым смыслом. Однако они прокладывают путь к созданию принципиально новых информационных технологий, в частности квантовых компьютеров, которые могут превзойти наши современные.

На самом деле не все просто

Существует представление, что почти все научные проблемы или результаты, даже самые сложные, можно объяснить неспециалисту. Главное — найти удачные образы, слова, аналогии или другие приемы — и человек поймет. Есть даже мнение, что если ученый кратко не может объяснить сути своей работы далекому от науки человеку, то вполне возможно, что с ученым и его работой не все в порядке.

Но существует и противоположное представление, которое ярко иллюстрирует один из эпизодов интервью с известным физиком, лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом. Журналист просит объяснить ученого, почему два магнита взаимодействуют между собой — притягиваются или отталкиваются. В ответ Фейнман примерно семь минут объясняет, почему он не может дать честный ответ на этот вопрос.

Ведь какие-то бытовые аналогии вроде той, что два магнита соединены между собой резинкой, с одной стороны некорректны, а с другой — требуют объяснения, почему растянутая резинка «хочет» сократиться. И это объяснение будет совсем не простым. В конце концов ученый констатирует, что не может почти ничего объяснить о магнетизме человеку, который не разбирается в физике, потому что он и сам не подозревает, как взаимодействуют магниты в общепонятных категориях.

Ничего общего с видимым миром

Когда речь идет об исследованиях в области физики, за которые дают Нобелевские премии, то не все они недостижимы для понимания «обычного человека», знающего физику в лучшем случае на уровне школы. Например, в 2019 году половину премии дали двум ученым за открытие первой известной нам экзопланеты.

Это действительно выдающееся достижение, и авторы без всякого сомнения приложили огромные усилия, чтобы его осуществить. Но результат их работы поймет кто угодно: вокруг одной из далеких звезд вращается массивная планета, несколько напоминающая Юпитер, и ученые нашли способ доказать этот интересный и важный факт.

Сравнительная «простота» этого открытия связана с тем, что речь идет о явлениях, более или менее знакомых нам в повседневной жизни. С детства мы видим на ночном небе звезды, планеты и Луну. Даже ребенку несложно понять в общих чертах, что такое Солнечная система и как ведут себя на ней планеты. Экзопланеты — это нечто подобное, если не вдаваться в подробности.

Исследователи, которым в этом году присудили Нобелевскую премию по физике, работают с квантовой механикой. Эта область физики описывает законы, которыми подчиняются объекты в микромире. Они так малы, что мы никак не можем их увидеть. Хотя законы в этом мире вполне реальны, они не имеют почти ничего общего с нашим обыденным опытом и, кажется, даже нарушают известные нам законы логики.

Запутанные квантовые состояния

Есть утверждение, что элементарные частицы одновременно проявляют свойства частиц и волн. Нам несложно представить какую-нибудь маленькую частицу, и мы можем разобраться с тем, что такое волна. Но соединить их в одно целое в нашем воображении — несравненно сложнее. Именно поэтому, когда электрон изображают в виде кружащегося вокруг атомного ядра шарика, это не просто упрощение, но и серьезное искажение реальности.

Вопросы, исследуемые нынешними Нобелевскими лауреатами, отнюдь не проще этого электрона — это так называемые запутанные квантовые состояния. В квантовой физике «запутанность» — это явление, во время которого две частицы находятся в одном состоянии, даже если они далеко друг от друга. Чтобы лучше его объяснить, придется применить аналогию с мячами, хотя настоящие мячи, как мы сейчас убедимся, никогда так не поступают.

Мяч случайного цвета

Представим себе машину, внутри которой есть два «запутанных» мяча — аналоги частиц из квантового мира. Хотя мы пока не видим этих мячей, но знаем, что они серые и могут приобретать только две характеристики — быть белыми или черными. Затем машина одновременно выбрасывает мячи в противоположных направлениях, и когда один из наблюдателей ловит мяч, он видит, что тот белый. По законам квантового мира в тот же момент второй мяч становится черным, поскольку они запутаны.

Важно понять (а точнее придется поверить), что мяч становится белым или черным лишь в тот момент, когда мы его наблюдаем. И что тоже важно, он «выбирает» свой цвет совершенно случайно: до начала нашего наблюдения этот цвет невозможно предсказать. Другими словами, нет никакой скрытой инструкции относительно того, каким станет мяч, когда мы на него посмотрим — черным или белым. Это совершенно случайный результат.

Телепортация

Представление о таких запутанных состояниях может помочь понять явление квантовой телепортации.

Представим две частицы, двигающиеся в противоположных направлениях. Одна из них встречает третью частицу и с ней запутывается. В то же время третья частица (которая была сначала без пары) передает свои характеристики оставшейся без пары. Эта передача характеристик или состояния частицы и называется квантовой телепортацией. Впервые в эксперименте это явление показал Антон Цайлингер вместе со своими коллегами во второй половине 1990-х годов.

В процессе телепортации есть важный момент, осознание которого также выходит за рамки повседневного опыта. Когда мы измеряем состояние частицы, то не можем получить всю информацию только определенную порцию. Остальная информация в момент измерения или наблюдения навсегда исчезнет, и восстановить ее принципиально невозможно. Зато благодаря телепортации от частицы к частице передается вся информация без потерь.

Следующий эксперимент группы Цайлингера был связан с двумя парами запутанных частиц. Исследователи показали: если из каждой запутанной пары взять по одной частице и объединить определенным образом, чтобы они запутались между собой, то две другие частицы, которые не были никак вовлечены, также запутаются между собой — несмотря на то, что они никогда друг друга не встречали.

Зачем нам фундаментальная наука

Есть еще одно популярное представление о науке: любые исследования имеют целью прикладной результат. Мол, другие исследования — лишние, какими бы интересными они ни были. Потому что средств на них тратится много, а отдачи в виде, скажем, определенных технологий или лекарств нет. Такие размышления легко подталкивают к тому, чтобы финансировать только прикладные исследования и не считаться с фундаментальными. Но такие соображения ошибочны по крайней мере по нескольким причинам.

Во-первых, фундаментальные исследования могут приводить к появлению побочных продуктов. К примеру, передовые технологии исследования дальнего космоса могут подсказать пути «наблюдения» за процессами в нашем организме. Уже появились определенные системы обработки информации, которые анализируют и изображение космических туманностей, и — по той же схеме — тех живых тканей организма человека, где происходят злокачественные процессы. А уже на их основе создаются технологии диагностики тех или иных заболеваний.

Во-вторых, логика развития науки предполагает, что она не может заниматься исключительно прикладными исследованиями. Она просто так не работает, даже если нам очень хочется. Это как хотеть, чтобы на поле сразу вырастали нарезанные буханки хлеба. Это действительно было бы удобно, но в реальном мире мы должны сначала вырастить пшеницу, обмолотить зерно, смолоть муку, замешать тесто и только после этого получим хлеб.

И в-третьих, в науке часто бывает так, что исследования проводят без всякой прикладной цели — хотя бы потому, что никто не способен предугадать такую цель. Возможно, такие исследования действительно еще много лет или даже никогда не будут иметь прикладного значения (мы же не надеемся, что при нашей жизни сможем посетить какую-нибудь экзопланету, которых ученые открыли уже тысячи).

От запутанности к компьютерам

Но бывает и иначе: фундаментальные исследования, которые первоначально проводились неизвестно для чего (с практической точки зрения), впоследствии привели к вполне прикладным результатам. Иными словами, вряд ли исследователи электричества в XIX веке мечтали о том, чтобы удовлетворить наш запрос на электромобили. Но без их исследований электромобилей у нас бы точно не было, как и других тесно вошедших в нашу жизнь вещей.

Случай со запутанными состояниями вполне может послужить очередным примером. Явление квантовой телепортации, например, можно использовать для передачи по оптическим волокнам информации с помощью фотонов (частиц света). В общем, эксперименты Цайлингера, о которых мы упоминали, а также исследования Клаузера и Аспе заложили основы для создания квантовых сетей и компьютеров. Они принципиально отличаются от привычных для нас компьютеров и благодаря этому способны производить значительно более сложные вычисления.

В прошлом году половину Нобелевской премии по физике получили Сюкуро Манабе (США) и Клаус Хассельман (Германия), чьи исследования помогли нам понять, почему климат меняется и как на это влияет человек. Другую половину премии получил Джорджио Паризи (Италия), изучавший закономерности поведения атомов в некоторых металлических сплавах. Эти закономерности оказались актуальны и для климатической, и для других сложных систем.