Технологии

Эксперименты с квантовой запутанностью принесли Нобелевскую премию по физике

Лайнуть/Поделиться

Награда присуждается трем физикам–экспериментаторам, чьи новаторские исследования заложили основу квантовой информатики. Джон Клаузер, Антон Цайлингер и Ален Аспект получили Нобелевскую премию по физике в прошлом году за свои исследования квантовой запутанности.

Три квантовых физика получили Нобелевскую премию по физике 2022 года за свои эксперименты с запутанными фотонами, в которых частицы света становятся неразрывно связанными. Такие эксперименты заложили основу для множества квантовых технологий, включая квантовые компьютеры и средства связи.

Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер разделят по одной трети приза в размере 10 миллионов крон (915 000 долларов США).

Джон Клаузер (слева), Антон Цайлингер и Ален Аспект.

«На самом деле я был очень удивлен, когда мне позвонили», — сказал Цайлингер, физик из Венского университета, на пресс–конференции, посвященной присуждению награды. «Эта премия была бы невозможна без многолетней работы более 100 молодых людей».

Аспекту, физику из Университета Париж–Сакле, позвонили во время заседания комитета. «Сегодня утром я сидел рядом с Аспектом, когда ему позвонили», — говорит Серж Арош, физик–экспериментатор из Коллеж де Франс в Париже, получивший Нобелевскую премию по физике 2012 года за работу в области квантовой физики. комнате, его коллеги правильно догадались, что звонит Стокгольм.

Эксперименты троицы доказали, что связи между квантовыми частицами не сводятся к локальным «скрытым переменным», неизвестным факторам, которые незримо связывают два результата вместе. Наоборот, это явление возникает из подлинной ассоциации, в которой манипулирование одним квантовым объектом влияет на другой удаленный объект. Немецкий физик Альберт Эйнштейн назвал это явление «призрачным действием на расстоянии» — теперь оно известно как квантовая запутанность.

Все трое победителей являются пионерами в области квантовой информации и квантовых коммуникаций, говорит Пан Цзяньвэй, физик из Университета науки и технологии Китая в Хэфэе, который участвовал в некоторых знаковых экспериментах Цейлигера, будучи аспирантом в 1990–х годах. По словам Пана, признание давно назрело. «Мы ждали этого очень, очень долго».

Победа — «прекрасная новость», соглашается Кьяра Марлетто, физик–теоретик из Оксфордского университета, Великобритания. По ее словам, современные версии экспериментов, впервые проведенных тремя победителями, могут стать центральными для одного из самых больших открытых вопросов современной физики — как согласовать квантовую механику с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна.

Пары частиц

Из–за эффектов квантовой запутанности измерение свойства одной частицы в запутанной паре немедленно влияет на результаты измерений другой. Это то, что позволяет квантовым компьютерам работать — эти машины, которые стремятся использовать способность квантовых частиц существовать более чем в одном состоянии одновременно, выполняют вычисления, которые были бы невозможны на обычном компьютере. Сегодня физики используют запутанность для разработки квантового шифрования и квантового интернета, которые позволили бы обеспечить сверхзащищенную связь и новые виды датчиков и телескопов.

Но могут ли частицы быть фундаментально связаны таким образом — так, чтобы измерение одних определяло свойства других, а не просто выявляло предопределенное состояние — было предметом споров с тех пор, как физики заложили основы квантовой механики в 1920–х годах.

В 1960–х годах физик Джон Белл предложил группу математических тестов, известных как неравенства Белла, чтобы различать две идеи. Эти тесты показали, что экспериментальные результаты, которые оказались коррелированными за пределами определенного значения, будут возможны только благодаря квантовой запутанности, а не из–за определенных видов скрытых переменных. Квантовая механика предсказывает более высокую степень корреляции, чем это было бы возможно в классической или доквантовой физике.

В 1972 году Джон Клаузер — ныне физик компании JF Clauser & Associates в Уолнат–Крик, Калифорния — и его коллеги развили эти идеи в практический эксперимент, который нарушил неравенство Белла, поддерживая теории квантовой механики.

Клаузер случайно наткнулся на работу Джона Белла, просматривая библиотеку Калифорнийского университета в Беркли, где он был исследователем с докторской степенью, говорит Дэвид Кайзер, квантовый физик и историк науки из Массачусетского технологического института в Кембридже. Клаузер был очарован, и он написал Беллу, чтобы спросить его, не пробовал ли кто–нибудь проверить его неравенства экспериментально. Белл ответил, что никто этого не делал, и призвал его сделать это. Однако реакция остального сообщества была не такой теплой. «Люди сказали бы, в письменной форме. что это не настоящая физика — что эта тема недостойна», — говорит Кайзер.

Лазейки и телепортация

Несмотря на успех Клаузера, оставались экспериментальные лазейки, которые оставляли место для скрытых переменных для создания иллюзии квантовой запутанности, которую Аспект намеревался закрыть в 1980–х годах. В его экспериментах использовалась изменяющаяся установка, что означало, что нельзя сказать, что экспериментальные решения предопределяют результаты.

А в 1997 году Антон Цайлингер, физик из Венского университета, и его коллеги использовали явление запутанности для демонстрации квантовой телепортации, при которой квантовое состояние передается из одного места в другое. Квантовые системы нельзя обнаружить и воссоздать где–то еще, поскольку измерения разрушают их тонкие квантовые свойства. Но состояние может передаваться между двумя частицами на расстоянии, если каждая из них запутана с половиной ранее запутанной пары.

Квантовая «призрачность» прошла самое сложное испытание

Телепортация обеспечивает сверхзащищенную связь, потому что любое прослушивание приведет к тому, что частицы потеряют свои хрупкие квантовые состояния. Это также способ, с помощью которого будущие квантовые компьютеры смогут передавать информацию. Со времени первых экспериментов Цайлингера физикам удалось телепортировать электроны, а также атомы и сверхпроводящие цепи.

В более поздних экспериментах Цайлингер вместе с Кайзером и другими сотрудниками стремился устранить дополнительные лазейки в проверках неравенства Белла, используя свойства звездного света, излучаемого столетия назад, для определения экспериментальных условий.

Хотя в настоящее время физика является основой многообещающей отрасли, такого рода эксперименты могут и дальше давать понимание фундаментальной физики. Одна надежда, говорит Марлетто, состоит в том, чтобы показать, могут ли две частицы запутаться в результате гравитационного взаимодействия. Общая теория относительности, по–видимому, несовместима с квантовой механикой, и такие эксперименты могут дать подсказки о том, как разработать квантовую теорию гравитации, чтобы заменить ее.

«Гравитация — это слон в комнате», — говорит Марлетто.

Кайзер благодарит трех лауреатов Нобелевской премии за то, что им хватило настойчивости и изобретательности, чтобы исследовать то, что кажется «фантастическим» явлением, и спросить: «Может ли мир действительно работать так?»

«В то время это были просто исследования голубого неба, без каких–либо приложений», — говорит Гарош. «Это прекрасный пример связи между фундаментальной наукой и применением», — добавляет он. «Демонстрация полезности бесполезных знаний».

Источник: Nature.

Редакция

Опубликовала
Редакция
Метки: физика

Недавние публикации

Сонные морщины. Положение во сне влияет на старение лица

Обзорное исследование, опубликованный в журнале Aesthetic Surgery Journal в 2016, проливает свет на связь между… Читать далее

04/03/2024

Некоторые случаи слепоты связаны с бактериями в кишечнике

Существуют определенные генетические мутации, которые могут вызывать слепоту и передаваться от родителей к детям. Например,… Читать далее

29/02/2024

Десять главных ежедневных последствий эволюции

От икоты до зубов мудрости - эволюция человека оставила после себя некоторые вопиющие, но врожденные… Читать далее

28/02/2024

10 вопросов, которые помогут отличить науку от псевдонауки

Чтобы отличить науку от псевдонауки, основатель Общества скептиков Майкл Шермер предлагает 10 вопросов, которые нужно… Читать далее

25/02/2024

Охотники-собиратели были жестоко стерты с лица земли фермерами, согласно анализу ДНК

Вопреки сложившемуся мнению, мирного перехода власти от охотников-собирателей к земледельцам в Европе не было. Новый… Читать далее

14/02/2024

Синдром Котара: Люди думают, что они мертвы

Синдром Котара - психопатологическое расстройство, которое еще называют нигилистическим бредом или синдромом "ходячего мертвеца". Человек… Читать далее

12/02/2024