2022 року Нобелівську премію з фізики отримали троє вчених, котрі зробили вирішальний внесок у експериментальне дослідження квантової заплутаності та її практичного значення. Американський фізик Джон Клаузер (John Clauser) та його французький колега Алан Аспе (Alain Aspect) розробили тест, який довів заплутаність фотонів. Антону Цайлінґерові (Anton Zeilinger) з Віденського університету вдалося перенести заплутаність з одної пари фотонів до іншої, що заклало підвалини квантової комунікації.
Явище квантової заплутаності лежить в основі всіх сучасних квантових технологій. Зображення: Nobelprize.org.
Квантовий комп’ютер та квантову комунікацію вважають технологією майбутнього. Вони уможливлюють швидкий розв’язок надскладних проблем і таке шифрування інформації, котре неможливо зламати. Підставами для цього є квантовомеханічні явища суперпозиції та заплутаності, що визначають поведінку частинок, зокрема фотонів, іонів та атомів. Власне вони уможливлюють неймовірну обчислювальну здатність квантового комп’ютера або квазімиттєву “телепортацію” квантових повідомлень.
Альберт Айнштайн описує явище заплутаності як “моторошний ефект на відстані”, Ервін Шредінґер назвав її найважливішою ознакою квантової механіки. Вона передбачає, що дві заплутані частинки залишаються в недиференційованому стані суперпозиції доти, доки не визначать стан однієї з них. Тоді друга автоматично і моментально приймає рішення щодо свого стану.
Це можна порівняти з двома м’ячами – білим і чорним, чий стан у польоті можна назвати сірим. В польоті їхні стани перебувають у стані суперпозиції. Лише тоді, коли один м’яч впаде, проявиться його справжній колір. У той же момент стає ясно, що інший м’яч повинен мати протилежне забарвлення.
Але звідки знають м’ячі, якого кольору мусять набути? Чи їхній колір визначає випадковість, чи ж вони володіють прихованою інформацією, котра визначає їхній колір заздалегідь?
Як теоретично це можна було б пояснити в експерименті, у 90-х роках ХХ ст. пояснив фізик Джон Стюарт Белл. Згідно з його поясненням, тут йдеться про справжню заплутаність, без прихованих даних, тож певний ступінь кореляції мав би проявитися за незліченної кількості повторених вимірювань. Але як виміряти це на практиці, залишалося незрозумілим.
Аж поки цьогорічний лауреат, американський фізик Джон Клаузер, першим не розробив експеримент, за допомогою якого можна було довести відхилення від нерівності Белла, тобто виявити природу квантової заплутаності. Для цього науковець розробив пару фотонів, котрі своєю поляризацією були сплутані один з одним. Направляючи ці фотони через різні поляризаційні фільтри, Клаузер зміг визначити, як часто трапляється та чи інша комбінація. Це засвідчило, що заплутані фотони дійсно порушують нерівність Белла.
Величину кореляцій не можна було пояснити ні заздалегідь визначеним станом, ні прихованими змінними. Натомість це була “моторошна дія на відстані”, коли стан другої частинки визначає лише вимірювання стану першої, тобто нівелювання суперпозиції.
Перетворення експерименту Белла. Зображення: Nobelprize.org.
Однак експеримент, котрий розробили Клаузер і його команда, мав недолік: він був неефективним. Лише невелику частку згенерованих фотонів можна було побачити через фільтри, а отже виміряти. Виправив цю ваду другий лауреат премії, французький фізик Ален Аспе. Він удосконалив експеримент, провів заплутані фотони через два різні поляризатори, що покращило можливості вимірювання.
Третій лауреат, Антон Цайлінґер з Віденського університету, розв’язав фундаментальну проблему квантової комунікації, яка тісно пов’язана із заплутаністю: якщо оптичну інформацію передавати на великі відстані, наприклад, в оптоволоконному кабелі, світловий сигнал слабшає, обмежуючи дальність дії. На відстані понад десять кілометрів у середньому губиться кожен другий фотон. За нормальних оптичних сигналів це можна компенсувати проміжними підсилювачами. Проте із заплутаними фотонами це не спрацює: підсилювач повинен спочатку зчитати сигнал, щоб посилити його, а це б нівелювало заплутаність і знищило б квантовий сигнал.
1998 року Цайлінґер і його команда розв’язали дилему за допомогою квантової телепортації. Вона ґрунтується на розумінні того, що заплутана пара фотонів може передати свою заплутаність іншій парі. Відповідно, квантовий підсилювач повинен лише забезпечити, щоб обидві пари фотонів контактували одна з одною за правильних обставин, і стара пара передавала заплутаність і квантову інформацію, що в ній міститься, новій. Саме це відкриття дає можливість передавати квантові сигнали на великі відстані у кабелях з оптоволокна. Дослідники навіть перенесли заплутаність на фотони Сонця.
Тож три нобелівські лауреати з фізики 2022 року заклали фундамент для того, щоби квантові технології стали придатними для практичного застосування. “Робота, котру здійснили лауреати із заплутаними станами, має велике значення. Адже їхні результати проклали шлях до нової технології, заснованої на квантовій інформації”, – йдеться в офіційному повідомленні Нобелівського фонду про присудження премії.
Nadja Podbregar
Джерело:https://zbruc.eu/node/113443
