2022 г: Нобелевская премия по физике присуждена 3 ученым за работу, исследующую квантовую странность
Ален Аспект, Джон Ф. Клаузер и Антон Цайлингер были отмечены за проведение экспериментов, касающихся квантовой запутанности, явления, которое возникает, когда две частицы ведут себя как единое целое, даже будучи разделенными.Джонаса Экстромера/ Информационное агентство TT, через Associated Press
Авторы статьи: Изабелла Квай, Кора Энгельгард и Деннис Овербай. 4 октября 2022 г
Джон Ф. Клаузер с его вторым экспериментом по квантовой запутанности в Калифорнийском университете в Беркли в 1975 году.Стивом Гербером / Berkeley Lab, через Associated Press.
Три физика, каждый из которых показал, что природа еще более странная, чем Эйнштейн осмеливался представить, были названы лауреатами Нобелевской премии по физике 2022 года.
Джон Клаузер из J.F. Clauser and Associates в Уолнат-Крик, Калифорния; Ален Аспект из Института оптики в Палезо, Франция; и Антон Цайлингер из Венского университета в Австрии разделят премию в размере 10 миллионов шведских крон.
Их независимые работы исследовали основы квантовой механики, парадоксальные правила, которые управляют поведением в субатомном мире. В экспериментах, проведенных за последние 50 лет, они подтвердили реальность эффекта, который Альберт Эйнштейн презирал как “жуткое действие на расстоянии”. Измерение одной из пары частиц, находящихся на большом расстоянии друг от друга, может мгновенно изменить результаты измерения другой частицы, даже если она находится на расстоянии световых лет. Сегодня физики называют этот странный эффект квантовой запутанностью, и он является основой растущей области квантовой информации. Когда во вторник были объявлены лауреаты премии, Ева Олссон, член Нобелевского комитета по физике, отметила, что квантовая информатика имеет широкие последствия в таких областях, как криптография и квантовые вычисления.
Квантовая информатика - “динамичная и быстро развивающаяся область”, - сказала она. “Ее предсказания открыли двери в другой мир, а также потрясли саму основу того, как мы интерпретируем измерения”.
Как недавно объяснил Дэниел Кабат, профессор физики в колледже Леман в Нью-Йорке, “Мы привыкли думать, что информация об объекте - скажем, о том, что стакан наполовину полон - каким-то образом содержится внутри объекта”. Вместо этого, по его словам, запутанность означает, что объекты “существуют только по отношению к другим объектам, и, более того, эти взаимосвязи закодированы в волновой функции, которая находится за пределами осязаемой физической вселенной”.
В беседе с Нобелевским комитетом во вторник утром доктор Аспект сказал, что искал предел квантовой механике, но не нашел его.
“Я принимаю в своих мысленных образах нечто совершенно безумное”, - сказал он.
Квантовая механика возникла в первые десятилетия 20 века, период, который часто называют Второй научной революцией, когда ученые пытались понять внутреннюю жизнь атомов. Ее центральным элементом был принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году, который гласит, что определенные виды знаний - например, о положении и скорости частицы - несовместимы: чем точнее измеряется одно свойство, тем более размытым и неопределенным становится другое.
Эйнштейн, хотя и был одним из основателей квантовой теории, отверг ее, сказав знаменитую фразу: "Бог не играл в кости со Вселенной".
В статье 1935 года, написанной совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном, он попытался опровергнуть квантовую механику как неполную теорию, указав, что по квантовым правилам измерение частицы в одном месте может мгновенно повлиять на измерения другой частицы, даже если она находится за миллионы миль от него.
Это был философский спор о природе реальности до 1964 года, когда Джон Стюарт Белл, физик-теоретик из ЦЕРНА, который также скептически относился к утверждениям квантовой механики, описал, но не выполнил эксперимент, который мог бы проверить, прав Эйнштейн или квантовая механика.
Доктор Клаузер, который разбирается в электронике и экспериментирует, а также испытывает опасения по поводу квантовой теории, был первым, кто выполнил предложенный Беллом эксперимент. Он случайно наткнулся на статью доктора Белла, будучи аспирантом Колумбийского университета, и признал, что это то, что он мог бы сделать.
В 1972 году, используя клейкую ленту и запасные части в подвале кампуса Калифорнийского университета в Беркли, доктор Клаузер и аспирант Стюарт Фридман, который умер в 2012 году, попытались выполнить эксперимент Белла по измерению квантовой запутанности. В серии экспериментов он выпустил тысячи световых частиц, или фотонов, в противоположных направлениях, чтобы измерить свойство, известное как поляризация, которое могло иметь только два значения - вверх или вниз. Результатом для каждого детектора всегда была серия кажущихся случайными взлетов и падений. Но когда результаты двух детекторов сравнили, взлеты и падения совпали таким образом, что ни “классическая физика”, ни законы Эйнштейна не могли объяснить. Во Вселенной творилось что-то странное. Запутанность казалась реальной.
В то время большинству физиков было неинтересно спорить о значении квантовой механики, поскольку они были заняты использованием ее для создания атомных бомб и транзисторов.
“Клаузер получил много отпора от ученых, которые даже не думали, что это часть науки”, - сказал Дэвид Кайзер, профессор физики и истории науки в Массачусетском технологическом институте и автор книги “Как хиппи спасли физику: наука, контркультура и квантовое возрождение”.
“Ему пришлось проявить большую настойчивость, чтобы опубликовать свой результат”, - сказал доктор Кайзер во вторник.
В интервью Американскому институту физики в 2002 году доктор Клаузер признал, что он сам ожидал, что квантовая механика окажется неверной, а Эйнштейн прав. “Очевидно, мы получили ‘неправильный’ результат. У меня не было выбора, кроме как сообщить о том, что мы увидели, вы знаете, ‘Вот результат ’. Но это противоречит тому, что, как я интуитивно верил, должно быть правдой ”. Он добавил: “Я надеялся, что мы опровергнем квантовую механику. Все остальные подумали: ‘Джон, ты совсем спятил”.
Подвох в открытии доктора Клаузера и квантово-механическом описании этого жуткого действия заключался в том, что корреляции обнаружились только после измерений отдельных частиц, когда физики сравнили свои результаты постфактум. Запутанность казалась реальной, но ее нельзя было использовать для передачи информации быстрее скорости света.
Доктор Клаузер провел большую часть десятилетия, беспокоясь о том, какие лазейки он мог упустить. Одна из возможностей, которая была названа локальной лазейкой, заключалась в том, что лабораторные приборы могли передавать информацию друг другу.
Введите доктора Аспекта, который в настоящее время является профессором Университета Париж-Сакле в Париже и Политехнической школы в Палезо, Франция. В 1970-х годах, на пути к своей докторской степени, он провел три года, выполняя свои национальные обязанности, преподавая в Камеруне, изучая квантовую механику в свободное время. В интервью Нобелевскому комитету он сказал, что вернулся во Францию, готовый взяться за решение проблемы, связанной с работой доктора Белла.
В 1982 году доктор Аспект и его команда из Парижского университета попытались обойти лазейку доктора Клаузера, изменив направление, в котором поляризации фотонов измерялись каждые 10 наносекунд, в то время как фотоны уже находились в воздухе и были слишком быстрыми, чтобы они могли взаимодействовать друг с другом. Он тоже ожидал, что Эйнштейн окажется прав.
Результаты доктора Аспекта позволяют представить запутанность на карте как реальное явление, которое физики и инженеры могли бы использовать. Квантовые предсказания подтвердились, но в эксперименте Белла было еще больше возможных лазеек, которые выявил доктор Клаузер и которые необходимо было закрыть, прежде чем квантовые физики смогут объявить о победе над Эйнштейном.
Например, направления поляризации в эксперименте доктора Аспекта менялись регулярным и, следовательно, теоретически предсказуемым образом, который могли быть обнаружены фотонами или детекторами.
Именно тогда эстафетную палочку подхватил Антон Цайлингер - профессор Венского университета, который со своей группой стал, возможно, ведущим манежным мастером квантового обмана. В 1998 году он добавил еще больше случайности в эксперимент Белла, используя генераторы случайных чисел для изменения направления измерений поляризации, пока запутанные частицы находились в полете.
И снова квантовая механика с подавляющим перевесом обошла Эйнштейна, закрыв лазейку “локальности”.
Тем не менее, оставались другие возможные источники критики или предвзятости, в том числе некоторые по поводу свободы воли и того, повлияли ли на экспериментаторов глубинные причины. В последние годы доктор Цайлингер и его сотрудники проводили эксперименты “Cosmic Bell”, используя колебания света удаленных объектов, называемых квазарами, за миллиарды световых лет отсюда, в качестве генераторов случайных чисел для задания направления детектора.
К настоящему времени, поскольку ученые провели больше экспериментов с запутанными частицами, запутанность признана одной из основных особенностей квантовой механики и применяется в криптологии, квантовых вычислениях и грядущем “квантовом Интернете” на сумму более миллиарда долларов в год. Одним из первых успехов в криптологии стали сообщения, отправляемые с использованием запутанных пар, которые могут отправлять криптографические ключи безопасным способом - любое прослушивание разрушит запутанность, предупредив получателя о том, что что-то не так.
В 2017 году доктор Цайлингер использовал эту технику с запутанными фотонами, излучаемыми с китайского спутника Micius, для зашифрованной 75-минутной видеосвязи с Цзянь-Вэй Паном из Китайской академии наук, одним из его бывших студентов.
Во вторник, получая Нобелевскую премию, доктор Цайлингер поблагодарил более 100 молодых людей, которые работали у него на протяжении многих лет, и назвал получение награды “поощрением молодежи”.
Хотя он признал, что награда присуждается в честь будущих применений его работы, он сказал: “Мой совет был бы таким: делайте то, что вы находите интересным, и не слишком заботьтесь о возможных применениях”.
Однако то, что мы можем использовать квантовую механику, не означает, что наш обезьяний мозг понимает ее только потому, что мы можем ее использовать. Пионер квантовой физики Нильс Бор однажды сказал, что любой, кто не считает квантовую механику возмутительной, не понял, о чем шла речь.
В своем интервью A.I.P. доктор Клаузер сказал: “Я признаюсь, что даже по сей день я все еще не понимаю квантовую механику, и я даже не уверен, что действительно знаю, как ее так хорошо использовать. И во многом это связано с тем фактом, что я до сих пор этого не понимаю ”.
NYT С англ. языка статью перевёл Яндекс