Квантово-запутанная премия. От невероятного эффекта до технологии
Нобелевская премия по физике 2022 года вручена за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике». Лауреатами стали Джон Клаузер (США), Ален Аспе (Франция) и Антон Цайлингер (Австрия).
После трёх подряд премий, вручённых за исследование глобальных явлений, Нобелевский комитет ожидаемо повернулся в сторону микромира. В этом году Нобелевскую премию по физике получили исследователи, которые не только сумели своими экспериментами доказать реальность одного из самых загадочных эффектов квантовой механики — квантовой запутанности, против которой выступал сам Альберт Эйнштейн, но и расчистили путь для новых технологий, основанных на квантовой информации. Оказалось, что запутанные квантовые состояния обладают большим потенциалом для создания новых способов хранения, передачи и обработки информации. В последние десятилетия стало ясно, что казавшееся когда-то не имевшим никакой практической пользы явление начинает находить применение. В настоящее время уже существует обширная область исследований, включающая квантовые вычисления (квантовые компьютеры), квантовое моделирование, квантовую связь с квантовой криптографией, квантовую метрологию и зондирование, где оно используется. А ведь во время своих первых экспериментов Цайлингер в ответ на вопрос журналистов: «Для чего это нужно?» гордо отвечал, что делает это чисто из любопытства.
Хотя эксперты и не называли новых лауреатов в первых рядах претендентов на нынешнюю Нобелевскую премию, но и неожиданными их назвать нельзя. Имена Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера возникали в списках возможных лауреатов уже более десяти лет. В 2010 году они получили премию Вольфа по физике (присуждается в Израиле с 1978 года), которая имеет репутацию предвестника Нобелевской премии. Вслед за ней уже 16 человек получили Нобелевскую премию по физике и один — по химии. Мне кажется, Нобелевский комитет приурочил свой выбор к пятидесятилетию первого эксперимента Клаузера (1972), желая к тому же успеть наградить физиков, так много сделавших для развития нового направления исследований: им всем уже около 80 лет.
Чтобы оценить их заслуги, придётся заглянуть в историю и углубиться в одну из самых сложных для непрофессионалов физических теорий — квантовую механику. Разумеется, для полного понимания проблемы необходима серьёзная математическая подготовка. Известный американский астрофизик и популяризатор науки Карл Саган как-то заметил, что объём работы популяризатора науки, который требуется, чтобы донести хоть какое-то представление о квантовой механике до широкой аудитории, не прошедшей такой подготовки, пугает. Однако мы всё же постараемся обойтись без сложных математических деталей.
Созданная в середине 20-х годов XX века квантовая механика изменила наш взгляд на мир. Оказалось, что объекты микромира (фотоны, электроны и атомы), получившие название квантовых объектов, ведут себя совершенно иначе, чем тела окружающего нас большого, макроскопического мира. В отличие от них свойства квантового объекта изначально имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем однозначно сказать, где находится частица или куда направлен её спин, мы можем лишь вычислить вероятность конкретного местоположения или направления спина. Причём речь не о классической вероятности, которая связана с неполнотой знания об объекте. Чтобы пояснить это, вспомним широко распространённый пример случайного события в обычном мире: бросок монеты. Нам кажется, что выпадение «орла» или «решки» случайно. Однако если бы мы точно знали массу и размеры монеты, все детали воздействия на неё руки и воздуха, то смогли бы однозначно предсказать, какая сторона монеты выпадет. Так что тут имеет место случайность события из-за недостатка наших знаний о нём и невозможности его «просчитать». Но квантовые свойства объекта ведут себя иначе. Никакая сколь угодно полная и сверхточная информация о нём не позволяет заранее предсказать, например, направление спина. Только вероятности вариантов. Конкретное направление будет получено лишь в результате измерения.
Для описания квантового объекта физики используют понятие «состояние». Говоря, что объект находится в определённом состоянии, они подразумевают, что имеется его математическое описание (например, волновая функция), которое позволяет рассчитывать вероятности состояний и возможных результатов измерений свойств. Согласно стандартной квантовой теории, до момента измерения частицы не имеют определённых состояний, а только их смесь — суперпозицию, чему нет аналога в макромире. В момент измерения частица словно играет в кости, выбирая состояние, в котором в итоге окажется. Это аналогично тому, что обычный шарик не имел бы определённого цвета, находясь в суперпозиции цветов, скажем, <синий/зелёный>. И только в момент наблюдения он становился бы или тем или другим.
Всё это необычно, но ещё более странно то, что при взаимодействии двух частиц они теряют свои индивидуальные вероятности и становятся компонентами более сложной функции, которая описывает обе частицы вместе. Их свойства переплетаются и не могут быть описаны по отдельности. Эту ситуацию известный австрийский физик Эрвин Шрёдингер назвал запутанностью (используется также вариант перевода немецкого термина Verschränkung — спутанность). Так, электроны в атоме запутаны из-за электромагнитного взаимодействия. Из запутанности вытекало ещё более странное следствие: если развести запутанные частицы на огромное расстояние, на котором они уже не могут воздействовать друг на друга, эта квантовая связь между ними тем не менее сохраняется. Происходящее с одной частицей в запутанной паре определяет то, что происходит с другой, измерение какого-либо параметра одной частицы сопровождается мгновенным получением информации о состоянии другой, несмотря на разделяющее их расстояние, даже если они находятся на разных концах Вселенной. Физики называют это свойство нелокальностью.
В мысленном эксперименте, предложенном физиком Дэвидом Бомом в 1951 году, в результате распада частицы с нулевым спином образуются два запутанных электрона. Поскольку их суммарный спин должен остаться равным нулю, один электрон должен иметь спин, направленный вверх, а другой — вниз. Электроны разлетаются в разные стороны настолько далеко друг от друга, что любым физическим взаимодействием между ними можно пренебречь. В соответствии с квантовой теорией во время полёта состояние их спина не определено и находится в суперпозиции состояний <вверх/вниз>. Теперь измеряем с помощью детектора спин одного из электронов — он сразу приобретает конкретное направление, пусть это будет вниз. Тогда из-за запутанности второй электрон мгновенно должен приобрести спин вверх, несмотря на разделяющее их огромное расстояние. Это покажет его детектирование.
Некоторые известные учёные, в том числе и основоположник квантовой физики Альберт Эйнштейн, не согласились с вероятностной картиной мира. К их числу принадлежал и Шрёдингер, придумавший в качестве аргумента своего знаменитого кота, который в его мысленном «квантовом» эксперименте оказывался одновременно и жив и мёртв, что противоречило здравому смыслу. Одной из причин, по которым Эйнштейн отверг этот подход, стало как раз квантовое запутывание, приводящее, по его мнению, к возможности передачи информации мгновенно, быстрее скорости света, что запрещала созданная им теория относительности. Он назвал это «spooky action at a distance», что можно перевести как пугающее или жуткое действие на расстояние. Из-за второго значения слова «spooky» — «похожее на привидение» часто это выражение неудачно переводят как «призрачное действие». В этом смысле лучше будет «сверхъестественное действие». В любом случае это точно характеризует отношение Эйнштейна к эффекту запутанности.
Эйнштейн придерживался так называемого локального реализма. Локальность означает, что на объект могут влиять только близлежащие тела, причём скорость передачи воздействия не превышает скорости света. А реализм заключается в том, что объект имеет определённые свойства независимо от измерения. Так, упомянутый ранее шарик должен иметь конкретный цвет: синий или зелёный, даже если мы его не видим, а электрон в полёте должен иметь спин вверх или вниз ещё до измерения. Следует понимать, что Эйнштейн не ставил под сомнение саму квантовую механику, полученные в ней законы и предсказания. Он возражал против определённой её интерпретации сторонниками Нильса Бора, получившей название копенгагенской. Он полагал, что и в микромире случайность — лишь следствие неполноты теории и существует некая скрытая связь запутанных частиц, незаметно от нас сообщающая им, какой результат они должны дать в эксперименте. Мы пока просто не умеем выявить этот скрытый слой реальности. В теории это означает наличие скрытых переменных или параметров гипотетических свойств частиц, недоступных для измерения, о которых нам пока ничего неизвестно.
Понять идею скрытых переменных можно на примере объяснения броуновского движения — хаотического движения маленьких частиц в жидкости. Оно происходит из-за того, что их толкают невидимые, но вполне реальные молекулы, играющие роль скрытых переменных. Именно за это объяснение и теоретический вывод законов броуновского движения Эйнштейн в 1905 году получил звание доктора философии. Опыты, проведённые Жаном Перреном в 1908 году, стали первым экспериментальным подтверждением молекулярно-кинетической теории. Видимо, чего-то подобного Эйнштейн ожидал и в отношении квантовой теории.
Дискуссия продолжалась более 20 лет. Так, в 1935 году появилась знаменитая статья о парадоксе, возникающем в запутанной системе, который сейчас называется в честь авторов статьи парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР). В статье был предложен эксперимент, который позволял бы одновременно точно измерить координату и импульс частицы, что невозможно с точки зрения квантовой механики, принципа неопределённости Гейзенберга. На основании этого был сделан вывод о неполноте квантовой теории. По сути, упомянутый выше эксперимент Бома — это упрощённый эксперимент ЭПР. Как стало ясно позднее, парадокса ЭПР нет, а кажущееся противоречие возникает из-за разного смысла термина «измерение» в классической и квантовой теории.
Большинство учёных, имевших отношение к квантовой физике, в спорах не участвовало и встало на сторону Бора. Ведь обсуждение велось на философ-ском уровне и касалось больше мировоззренческих вопросов, чем практической стороны дела. Тогда не было никакого экспериментального способа проверить правоту одного из оппонентов. На общее мнение оказала влияние и книга одного из самых выдающихся математиков XX века Джона фон Неймана «Математические основы квантовой механики», опубликованная в 1932 году и ставшая настольной книгой физиков, занимающихся этими вопросами. В ней Нейман доказывал запрет на введение скрытых переменных. Так что большинство просто занималось делом, приводя квантовую физику ко всё новым успехам. Позднее этот подход афористично охарактеризовал американский физик Дэвид Мермин словами: «Заткнись и считай!». О царившей тогда атмосфере лучше всего говорит тот факт, что когда в 1935 году немецкий математик Грета Герман обнаружила изъян в доказательстве Неймана, на это просто не обратили внимания.
Ситуация изменилась четверть века спустя, когда в конце 1950-х годов к скрытым переменным вернулся Дэвид Бом, придумавший свою интерпретацию квантовой механики. Идеями Бома вдохновился ирландский физик Джон Белл, который с 1960 года работал в CERN, занимаясь физикой частиц и квантовой теорией поля. Определённую роль в этом сыграло переоткрытие Беллом изъяна в доказательстве Неймана. Правда, статью об этом он опубликует позднее, в 1966 году. Анализируя мысленный эксперимент Бома (в общем случае это может быть любой эксперимент типа предложенного ЭПР), в 1964 году он придумал способ проверить, существуют ли скрытые переменные или справедлива общепринятая квантовая механика. Для этого надо было проводить измерения спинов запутанных электронов при разной ориентации детекторов.