Нобелевская премия по физике в этом году вручена трём учёным: Алену Аспе из Франции, Джону Фрэнсису Клаузеру из США и Антону Цайлингеру из Австрии. Новые лауреаты получили награду за эксперименты с запутанными фотонами, установление принципа нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике. Специалист в области квантовых технологий Алексей Рубцов рассказывает, что это за открытия и что они дают для понимания устройства мира.

Скрытых параметров нет

Квантовая механика даёт совершенно необычные результаты. И самый из них известный: вероятностный характер измерений. В квантовой механике почти любое измерение имеет результат не какой-то определённый, а с некоторой вероятностью, то есть может быть сразу несколько исходов.

Этот тезис достаточно трудно принять — даже Альберт Эйнштейн долго не мог этого сделать. Он был приверженцем теории скрытых параметров, то есть думал, что каждая частица в нашем мире может быть охарактеризована какими-то параметрами, переменными, про которые мы пока не знаем. Но если бы мы их знали, то случайность исчезла бы. То есть случайность — это будто бы не закон природы, она от наших неполных знаний о физических объектах.

В середине XX века физик Джон Белл понял, что любая теория со скрытыми параметрами должна удовлетворять неким неравенствам. А если эти неравенства нарушаются, то никаких скрытых параметров быть не может. Нобелевские лауреаты этого года Джон Фрэнсис Клаузер и Ален Аспе экспериментально проверили, что неравенства Белла нарушаются. То есть никаких скрытых параметров нет, и наш мир действительно квантовый.

Перепутанные состояния и квантовая телепортация

Итак, вместо скрытых параметров есть некая квантовая реальность, которую человек очень тяжело воспринимает. И мы до сих пор только учимся понимать мостики между миром квантовым, который умеем описывать только математически, и миром в нашем классическом представлении.

Состояния, с которыми работали Джон Фрэнсис Клаузер и Ален Аспе, называются перепутанными. Этот когда состояния двух квантовых частиц, расположенных далеко друг от друга, находятся в некоторой внутренней связи.

Представьте, что у меня в комнате есть один фотон, а у вас в комнате — другой фотон. И они друг о друге знают. Как только я захочу определить какие-то характеристики своего фотона, тут же ваш фотон, связанный с моим через квантовую запутанность, на это отреагирует. То есть я вам не могу переслать какую-то информацию, но как только я произведу измерение над своим фотоном, я тут же буду знать, в каком состоянии после этого находится не только мой, но и ваш фотон. Перепутанность — это когда частицы друг о друге знают на квантовом уровне.

Третий лауреат Антон Цайлингер пошёл ещё дальше. Он сделал так называемую квантовую телепортацию — научился передавать квантовую информацию от одной квантовой системы к другой на расстоянии, используя перепутанные состояния.

Квантовый мир — он какой?

Если подытожить всё вышесказанное, то лауреаты Нобелевской премии по физике в 2022 году доказали, что наш мир истинно квантовый. Они научились работать с перепутанными состояниями, с системами, которые находятся на большом расстоянии друг от друга, но квантовом образом знают о свойствах друг друга.

Если мы попробуем полностью описать свойства нашего мира, то будем вынуждены использовать уравнения и понятийный аппарат квантовой теории. То есть величины, с которыми нам придётся работать, не будут привычными. Потому что у квантовой частицы нет точно определённых координат, обычно нет точно определённой энергии, всё описывается какими-то вероятностными законами, какими-то непонятными переменными, которые называются «волновой функцией»...

Что такое квантовый мир? Наш мир квантовый — это значит, что его нельзя описать как совокупность «шариков» и «пружинок», каких-то понятных частиц. Наш мир можно познать, описать, но это очень трудно сделать с помощью нашей обычной картины, наш мир контринтуитивен. Остаётся согласится со строками Иосифа Бродского из стихотворения «Пилигримы»:

...мир останется вечным,
может быть, постижимым,
но всё-таки бесконечным.

Алексей Рубцов — доктор физико-математических наук, профессор Кафедры квантовой электроники Физического факультета МГУ, профессор РАН, руководитель научной группы Российского квантового центра.

За что вручили Нобелевскую премию по физике в 2022 году?