Бог все-таки играет со Вселенной в кости

Три новоиспеченных лауреата получили высшую научную награду с большим временным лагом: основные эксперименты Джона Клаузера (самого пожилого из них, ему 80 лет) и Алена Аспе (ему 75) датируются главным образом 1970‒1980-ми годами, тогда как 77-летний Антон Цайлингер, помимо своих более ранних опытов, отмечен также за серию ярких практических экспериментов по так называемой квантовой телепортации, проведенных уже в конце 1990-х.

И, как отметил в беседе с нами профессор физфака МГУ, руководитель научной группы «Коррелированные квантовые системы» Российского квантового центра (РКЦ) Алексей Рубцов, «тот факт, что с момента проведения важнейших экспериментов того же Аспе прошло уже лет сорок (а в случае с Клаузером и вовсе 50 с лишним), а Нобелевскую премию им дали только сейчас, по сути, говорит о том, что понимание важности осуществленного ими прорыва пришло с очень большим запозданием и лишь после того, как в последние годы стали очень быстро развиваться исследования в области практической передачи квантовой информации».

В свою очередь, по версии ведущего российского специалиста в области математических проблем квантовой информатики академика РАН, профессора Математического института им. В. А. Стеклова Александра Холево, «в качестве возможного объяснения того, что эта награда была присуждена так поздно, можно предположить, что тут во многом сыграло свою роль и наличие в этой области физических исследований массы так называемых ловушек (loopholes), и многочисленные противники наличия в природе квантовой запутанности, или сцепленности (entanglement), на протяжении многих лет очень сильно придирались к конкретным результатам и условиям таких экспериментов (например, к наличию “подтасовок” с исходной выборкой частиц, “некорректными” расстояниями между ними, независимостью измерений и так далее)».

«Ужасное дальнодействие»

Согласно исходным постулатам квантовой механики, две (и более) физические частицы могут существовать в связанном состоянии независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Это странное и контринтуитивное явление, при котором изменение характеристик одной «связанной» частицы мгновенно приводит к изменению характеристик другой, получило название квантовой запутанности (или сцепленности, quantum entanglement), и на протяжении многих десятилетий оно считалось одним из наиболее дискуссионных элементов квантово-механической теории. Так, один из самых жестких ее критиков (по крайней мере, на раннем этапе ее развития) Альберт Эйнштейн называл это явление «ужасным дальнодействием» (spooky action at a distance) и рассматривал его в качестве уродливого курьеза чрезмерно усложненного математического аппарата квантовой механики.

Оппоненты квантовой теории, в частности, утверждали, что квантовая механика является лишь одной из частей «более полного описания мира», в котором физические частицы обладают некоей скрытой от нас информацией о своих свойствах — так называемыми локальными скрытыми переменными.

1) Джон Клаузер использовал атомы кальция, которые могли испускать запутанные фотоны после того, как он обрабатывал их световыми пучками в определенном частотном диапазоне. Он установил специальные фильтры под разными углами по обе стороны от испускаемых фотонов, для того чтобы измерить их поляризацию. После серии измерений он смог показать, что они нарушают неравенство Белла. 2) Ален Аспе доработал эксперимент Клаузера, используя новый способ возбуждения атомов, чтобы они испускали запутанные фотоны с большей скоростью. Он также использовал схему переключения между различными настройками фильтров, благодаря которой система не содержала никакой привнесенной извне информации, которая могла бы оказать влияние на результаты измерений. 3) Антон Цайлингер затем разработал еще более усложненную схему по проверке неравенств Белла. Он создавал запутанные пары фотонов, воздействуя лазером на специальные кристаллы, и использовал генератор случайных чисел для переключения между различными измерительными режимами и настройками. А в одном из его поздних экспериментов использовались сигналы из удаленных галактик для управления фильтрами и обеспечения того, чтобы такие сигналы не могли оказывать влияние друг на друга.

nobelprize.org

И в начале 1960-х годов североирландский физик-теоретик Джон Стюарт Белл, работавший в швейцарском ЦЕРНе, предложил оригинальную схему, которая могла бы расставить точки над i в затянувшейся дискуссии между сторонниками квантово-механистического описания реальности и его противниками. Белл вывел специальную формулу (неравенство) для математической обработки результатов придуманного им практического эксперимента и доказал, что в случае, если это неравенство выполняется, то правы «детерминисты», то есть сторонники теории скрытых параметров, тогда как в противном случае (нарушение этого неравенства) следует признать правоту «вероятностников», то есть представителей квантово-механистического лагеря.

По словам Алексея Рубцова, «двое из нобелевских лауреатов этого года, Джон Клаузер и Ален Аспе, первыми экспериментально проверили неравенство Белла, и им удалось показать, что наш мир действительно квантовый, объективная реальность — квантовая, и все эти странные способы трансляции различных квантовых характеристик мира в нашу классическую картину восприятия с вероятностными исходами экспериментов, с запутанными состояниями, когда изменение свойств одной частицы тут же дает информацию о состоянии другой частицы и прочее, действительно имеют место быть в природе».

В 1969 году американец Джон Клаузер первым провел практический тест неравенств Белла, который предполагал измерение квантовой запутанности путем определения поляризации пар фотонов, запущенных в противоположных направлениях. А спустя три года, в 1972-м, он предложил усовершенствованную версию эксперимента (совместно со своим аспирантом Стюартом Фридманом, умершим в 2012 году) и, измерив поляризацию тысяч пар таких фотонов, выявил между ними значительную корреляцию (ту самую «запутанность»), то есть показал, что такие фотоны действуют согласованно, несмотря на их физическое разделение.

Однако эти первые опыты Клаузера обладали множеством сразу же отмеченных его коллегами недостатков. В частности, одно из них заключалось в том, что эксперимент был в целом недостаточно эффективным как при производстве, так и при захвате частиц. Кроме того, измерения были предварительно настроены, а использованные им фильтры располагались под фиксированными углами. Иными словами, существовали различные «лазейки», о которых мы уже упоминали выше, благодаря наличию которых можно было бы поставить под сомнение полученные результаты и продолжать утверждать, что частицы все еще могут нести пресловутую «скрытую информацию».

И уже в начале 1980-х французский аспирант Ален Аспе сумел разработать еще более изощренную версию «установки Клаузера», при помощи которой ему удалось ликвидировать многие из выявленных ранее «ловушек», и в своем эксперименте он, в том числе, смог зарегистрировать как те фотоны, которые прошли через специальный фильтр, так и те, которые через него не прошли. Иными словами, он обнаружил значительно большее число фотонов, а значит, точность его измерений оказалась намного более статистически достоверной.

Благодаря закрытым Аспе «ключевым лазейкам» им был получен намного более четкий результат, показавший, что базовый постулат квантовой механики о существовании запутанных состояний верен и никаких скрытых параметров в природе не существует.

Позднее эти пионерские эксперименты Клаузера и Аспе были многократно повторены (с различными техническими доработками) другими экспериментаторами — в общей сложности их было осуществлено порядка трех десятков.

Телепортация осталась без отдельного нобеля

Антон Цайлингер и его группа значительно расширили практические возможности использования и изучения запутанных квантовых состояний. И помимо множества других выявленных им с коллегами необычных квантово-механических явлений Цайлингер стал первым исследователем, продемонстрировавшим в 1997 году поведение, называемое квантовой телепортацией, которое позволяет перемещать квантовые состояния от одной частицы к другой на произвольные расстояния (следует уточнить, что квантовая телепортация — это единственный способ передачи квантовой информации из одной системы в другую без потери какой-либо ее части).

А после того, как это явление было продемонстрировано экспериментально, следующим шагом стало использование уже двух пар запутанных частиц. Если по одной частице из каждой пары свести вместе определенным образом, то невозмущенные частицы в каждой паре могут стать спутанными, несмотря на то что никогда не были в контакте друг с другом. Такой обмен запутанностью (entanglement swapping) был также впервые продемонстрирован в 1998 году исследовательской группой Антона Цайлингера.

И, по словам Алексея Рубцова, «именно Цайлингер первым продемонстрировал, что с квантовыми состояниями можно практически работать, хотя и во многом, опять-таки, весьма странными, контринтуитивными методами».

В свою очередь, Александр Холево тоже высказал некоторое недоумение относительно того, почему открытие Цайлингером такого важного явления, как квантовая телепортация (непосредственно связанного с экспериментами Клаузера, Аспе и др.), так и не было отдельно отмечено Нобелевской премией.

Кроме того, академик Холево заодно напомнил и о том, что еще десять лет назад, в 2012 году, Нобелевская премия была присуждена французу Сержу Арошу и американцу Дэвиду Уайнленду «за разработку новаторских экспериментальных методов измерений индивидуальных квантовых систем и искусственного манипулирования ими», и эта награда, по его словам, «на самом деле, была получена по весьма близкой к нынешней тематике, в том числе Арош и Уайнленд использовали все ту же квантовую телепортацию».