«Квантавая заблытанасць»: за што тройцы навукоўцаў далі Нобелеўскую прэмію па фізіцы
Сёлетняя Нобелеўская прэмія па фізіцы ўшаноўвае трох даследчыкаў дзіўнай квантава-механічнай з'явы пад назвай «квантавая заблытанасць», якая адкрывае шлях для прарыўных галін квантавых камунікацый і квантавых вылічэнняў. Пра падрабязнасці іх працы распавядае Science.org
Двое з навукоўцаў, Джон Клаўзер з JF Clauser & Associates і Ален Аспет з Універсітэта Парыж-Сакле і Парыжскага політэхнічнага інстытута, даказалі, што квантавая заблытанасць не можа быць растлумачана класічнай фізікай.
Трэці, Антон Цайлінгер з Венскага ўніверсітэта, паказаў, як квантавая заблытанасць можа выкарыстоўвацца, напрыклад, для «тэлепартацыі» інфармацыі ад адной субатамнай часціцы да іншай. Усе трое падзеляць прыз 10 мільёнаў шведскіх крон (915 тысяч даляраў) пароўну. Але аб усім па парадку.
Шведская каралеўская акадэмія навук у аўторак паведаміла: «Распрацоўка лаўрэатамі эксперыментальных інструментаў заклала аснову для новай эры квантавых тэхналогій». Чакаецца, што даследаванне будзе іграць важную ролю ў квантавых вылічэннях, бяспечнай перадачы інфармацыі і сэнсарных тэхналогіях. Над чым жа працавалі навукоўцы?
Праца трыа была сканцэнтравана на з'яве, вядомай як «квантавая заблытанасць», якую Альберт Эйнштэйн назваў «жудасным дзеяннем на адлегласці».
У агульных рысах, квантавая заблытанасць азначае, што ўласцівасці адной часціцы можна вывесці, даследуючы ўласцівасці другой часціцы. То-бок тое, што адбываецца з адной часціцай у заблытанай пары, вызначае тое, што адбываецца з іншай, нават калі яны знаходзяцца занадта далёка, каб паўплываць адна на адну.
Як адзначылі ў акадэміі, просты спосаб уявіць гэта — падумаць пра тое, што вам даюць адзін з двух мячоў — адзін белы, другі чорны. Калі вы атрымліваеце белы шар, вы ведаеце, што іншы шар чорны.
Пры гэтым важна, што ўласцівасці кожнай часціцы не фіксуюцца да таго моманту, пакуль яны не будуць вывучаны — у сцэнары з шарамі гэта азначае, што абодва шары шэрыя, пакуль вы на іх не паглядзіце, пасля чаго адзін становіцца белым, а другі чорным. Вось чаму Эйнштэйн называў гэтую сувязь «жудаснай»: судзячы па ўсім, дзве часціцы (або шары) па сваёй сутнасці звязаныя між сабой, без неабходнасці пасылаць сігнал паміж імі.
Адна з магчымасцяў, якую абмяркоўвалі фізікі цягам дзесяцігоддзяў, заключалася ў тым, што часціцы могуць утрымліваць нейкую сакрэтную інфармацыю або «схаваныя пераменныя», якія вызначаюць іх уласцівасці. Гэтай думкі прытрымліваўся і Эйнштэйн (і, як высвятляецца, не меў рацыі).
У пачатку 1960-х гадоў паўночнаірландскі фізік Джон Сцюарт Бэлл выказаў здагадку, што, правёўшы некалькі эксперыментаў пэўнага тыпу і паглядзеўшы на тое, як вынікі карэлююцца, можна было б абвергнуць існаванне схаваных пераменных.
Натхнёны працай спадара Бэлла, амерыканскі фізік Джон Клаўзер, сёлетні лаўрэат і герой, прысвяціў вялізную частку свайго жыцця таму, каб даказаць, што часціцы насамрэч не ўтрымліваюць ніякай сакрэтнай інфармацыі.
У 1969 годзе Клаўзер узначаліў групу, якая ўдасканаліла агульную ідэю Бэлла, каб яе можна было прымяніць да рэальнага эксперыменту з атамамі кальцыю. У 1972 годзе ён і яшчэ адзін яго калега правялі эксперымент, у выніку якога назіралі звышмоцныя карэляцыі, прадказаныя квантавай тэорыяй, і правялі першую праверку тэарэмы Бэлла.
А ў 1980-х гадах Ален Аспет — другі сёлетні лаўрэат — разам з камандай выканаў значна ўдасканаленыя версіі гэтых эксперыментаў.
Іншымі словамі, аказалася, што шары ў прыведзеным вышэй сцэнарыі не ўтрымліваюць схаваных інструкцый аб тым, які колер прыняць. Замест гэтага, як прадказвае квантавая механіка, тое, які з іх стане чорным — залежыць ад выпадку.
Калі Клаўзер і Аспет выкарыстоўвалі заблытанасць, каб даказаць, што квантавая механіка такая ж дзіўная, як і рэкламуецца, то Цайлінгер — трэці з сёлетніх герояў — стаў піянерам у выкарыстанні яе ў якасці інструмента. Напрыклад, у 1998 годзе яго каманда паказала, як можна ўзяць дзве пары заблытаных фатонаў і памяняць месцамі заблытанасць так, каб адзін фатон з першай пары аказаўся заблытаным з фатонам з другой пары — метад, які можа быць важным для злучэння аддаленых вузлоў у квантавым інтэрнэце, які немагчыма ўзламаць. Група Цайлінгера таксама паказала, што можна выкарыстоўваць дадатковую заблытаную пару фатонаў для імгненнай перадачы або «тэлепартацыі» дакладнага квантавага стану аднаго фатона іншаму.
Такая праца стала пачаткам росту квантавай інфармацыйнай навукі і квантавых вылічэнняў — галін, якія зараз вельмі бурна развіваюцца. Іх вялізны патэнцыял наўрад ці быў зразумелы дзесяцігоддзі таму, бо квантавая інфармацыя не лічылася нават сапраўднай навукай. Але цяпер гэта, бадай, самая гарачая вобласць у фізіцы.
Таксама некаторыя навукоўцы адзначаюць, што прэміяй трэба было адзначыць і спадара Джона Бэлла, працы якога ляглі ў аснову галіны, і які, на жаль, памёр, калі навука аб квантавай інфармацыі яшчэ не з'явілася. Джон Бэлл памёр у 1990 годзе ва ўзросце 62 гадоў.
гэта партрэты ці карыкатуры?