Пояснюємо Нобеля з фізики, який відкриває шлях до нових проривів в інформатиці й не тільки
4 жовтня нобелівську премію у галузі фізики отримали Ален Аспе, Джон Клаузер та Антон Цайлінґер за "експерименти із заплутаними фотонами, встановлення порушення нерівностей Белла та новаторську квантову інформатику".
Ці науковці провели низку фундаментальних експериментів, що мають безпосереднє відношення до фізики, а застосування, зокрема, до абсолютно нового типу інформаційних технологій, пояснює доктор наук з галузі "Природничі науки" Андрій Семенов.
Квантова фізика, каже Семенов, це галузь знань, яка виникла на початку XX сторіччя і на основі якої маємо багато сучасних технологій, таких як електроніка, нові речовини, атомна енергетика тощо. Зараз ця наука переживає новий бурхливий етап розвитку.
"У найближчому майбутньому завдяки цьому можуть з’явитися принципово нові технології – квантові комп’ютери, які розв’язують задачі, недоступні найпотужнішим сучасним пристроям, їхні мережі, зв’язок, чия безпека гарантується фундаментальними законами квантової фізики тощо", – розповідає науковець.
Як вченим вдалося дійти до таких результатів
У XVIII-XIX століттях в класичній фізиці панувала концепція детермінізму, пояснює Семенов.
Детермінізм випливає з класичної фізики, відповідно до якої, знаючи стан системи у початковий момент часу, можна однозначно передбачити її стан у майбутньому – для цього потрібно знати лише початкові умови та закони руху.
"У мене в руці камінь, я його кидаю. І якщо я знаю, звідки це роблю, яку швидкість надаю каменю, то можу прорахувати, де він буде в будь-який момент часу. На думку видатного вченого XVIII-XIX сторіч П'єра-Симона Лапласа, так само працює й цілий Всесвіт – все у світі визначено наперед і назавжди", – розповідає вчений.
Проте з появою квантової механіки науковці зрозуміли, що поняття випадку та ймовірності відіграють у фізиці фундаментальну роль, бо виявляється, що не все визначено наперед.
Видатний фізик Альберт Ейнштейн, який стояв біля витоків квантової фізики, до кінця життя не вірив, що випадок та ймовірність у квантовій фізиці мають фундаментальне значення. На його думку, ймовірність — це міра нашого незнання про експеримент або про саму фізичну систему. Йому опонував данський фізик Нільс Бор.
У середині 1960-х північноірландський науковець Джон Белл підвів під цю дискусію формальне підґрунтя. Він знайшов певні нерівності для величин, що можна отримати з експерименту. Якщо має рацію Ейнштейн, ці нерівності не повинні порушуватися. Якщо ж має рацію Бор, вони будуть порушуватися.
Квантова теорія передбачала, що ці нерівності можуть порушуватися. Якби вони не порушувалися взагалі, це не тільки б підтвердило правоту Ейнштейна, а ще й спростувало б квантову теорію, яка на ті часи з величезною точністю описувала багато експериментів.
"Лауреати цьогорічної премії були піонерами серед тих, хто порушення цих нерівностей зміг довести експериментально та використати отримані методики для їхнього технологічного застосування", – розповідає Андрій Семенов.
Хто ці лауреати та що їм вдалося
Американський науковець Джон Клаузер зі співавторами першим провів експериментальне випробування порушень нерівностей Белла із так званими заплутаними фотонами.
Андрій Семенов пояснює про заплутані фотони: "Те, що я знаю все про обидва промені заплутаного стану, не означає, що я маю таку ж повну інформацію про кожен з них. Тобто інформація про ціле не містить в собі інформації про його частини. В класичному світі таке навіть не можна уявити".
Він розповідає, що ці перші експерименти ще не були достатньо досконалими. В них можна було знайти "вразливості", своєрідні логічні щілини, через які "пояснення результатів з детерміністичними теоріями могло б "пролізти".
Натомість французькому науковцю Алену Аспе та його групі вдалося позбутися значної частини таких недоліків. Це підтвердило, що випадок, а не визначеність наперед відіграє ключову роль в законах фізики.
Австрійський науковець Антон Цайлінґер разом зі своєю командою та учнями по всьому світу відомий багатьма результатами з використанням заплутаних фотонів та порушень нерівностей Белла. Зокрема, він та його колеги вперше продемонстрували протокол квантової телепортації. Фактично це аналог передачі інформації по каналу зв’язку для квантового випадку. Проте, на відміну від класичного сценарію, закони квантової фізики руйнують квантову інформацію у відправника. Тобто квантова інформація переходить з одного об’єкта на інший, а не залишається на них обох, як це є у звичайних класичних пристроях.
Що дає Нобелівська премія і чому її мав отримати Белл
Нобелівська премія — це не просто грошова винагорода, а ще й більшою мірою визнання здобутків на найвищому світовому рівні, каже Андрій Семенов. Він радий, що в цьому році відзначили саме порушення нерівностей Белла, але зазначає, що сам Белл мав би також бути лауреатом Нобелівської премії: "На превеликий жаль, він дуже рано пішов з життя. А Нобелівську премію не дають посмертно".