Объясняем Нобеля по физике, открывающего путь к новым прорывам в информатике и не только

4 октября Нобелевскую премию по физике получили Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за "эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторскую квантовую информатику".

Эти ученые провели ряд фундаментальных экспериментов, имеющих непосредственное отношение к физике, а применение, в частности, к совершенно новому типу информационных технологий, объясняет доктор наук из отрасли "Естественные науки" Андрей Семенов.

Квантовая физика, говорит Семенов, это отрасль знаний, которая возникла в начале XX века и на основе которой есть много современных технологий, таких как электроника, новые вещества, атомная энергетика и т.д. Сейчас наука переживает новый бурный этап развития.

"В ближайшем будущем благодаря этому могут появиться принципиально новые технологии — квантовые компьютеры, решающие задачи, недоступные мощнейшим современным устройствам, их сети, связь, чья безопасность гарантируется фундаментальными законами квантовой физики", – рассказывает ученый.

Как ученым удалось дойти до таких результатов

В XVIII-XIX веках в классической физике царила концепция детерминизма, объясняет Семенов.

Детерминизм вытекает из классической физики, согласно которой, зная состояние системы в начальный момент времени, можно однозначно предусмотреть ее состояние в будущем – для этого нужно знать только начальные условия и законы движения.

"У меня в руке камень, я его бросаю. И если я знаю, откуда это делаю, какую скорость придаю камню, то могу просчитать, где он будет в любой момент времени. По мнению величайшего ученого XVIII-XIX веков Пьера-Симона Лапласа, так же работает и целая Вселенная – все в мире предопределено и навсегда", – рассказывает ученый.

Но с появлением квантовой механики ученые поняли, что понятие случая и вероятности играют в физике фундаментальную роль, потому что оказывается, что не все предопределено.

Выдающийся физик Альберт Эйнштейн, стоявший у истоков квантовой физики, до конца жизни не верил, что случай и вероятность в квантовой физике имеют фундаментальное значение. По его мнению, вероятность — это мера нашего незнания об эксперименте или самой физической системе. Ему оппонировал датский физик Нильс Бор.

В середине 1960-х североирландский ученый Джон Белл подвел под эту дискуссию формальную подоплеку. Он нашел определенные неравенства для величин, которые можно извлечь из эксперимента. Если прав Эйнштейн, эти неравенства не должны нарушаться. Если же прав Бор, они будут нарушаться.

Квантовая теория предполагала, что эти неравенства могут нарушаться. Если бы они не нарушались вообще, это не только подтвердило бы правоту Эйнштейна, но и опровергло бы квантовую теорию, которая по тем временам с огромной точностью описывала многие эксперименты.

"Лауреаты премии этого года были пионерами среди тех, кто нарушение этих неравенств смог доказать экспериментально и использовать полученные методики для их технологического применения", – рассказывает Андрей Семенов.

Кто эти лауреаты и что им удалось

Американский ученый Джон Клаузер с соавторами первым провел экспериментальное испытание нарушений неравенств Белла с так называемыми запутанными фотонами.

Андрей Семенов объясняет о запутанных фотонах: "То, что я знаю все об обоих лучах запутанного состояния, не означает, что я имею такую же полную информацию о каждом из них. То есть информация о целом не содержит в себе информации о его частях. В классическом мире такое даже нельзя вообразить".

Он рассказывает, что эти первые эксперименты еще не были достаточно совершенны. В них можно было найти "уязвимости", своеобразные логические щели, через которые "объяснение результатов с детерминистическими теориями могло бы "пролезть".

Французскому ученому Алену Аспе и его группе удалось избавиться от значительной части таких недостатков. Это подтвердило, что случай, а не предопределенность играет ключевую роль в законах физики.

Австрийский ученый Антон Цайлингер вместе со своей командой и учениками по всему миру известен многими результатами с использованием запутанных фотонов и нарушений неравенств Белла. В частности, он и его коллеги впервые продемонстрировали протокол квантовой телепортации. Фактически это аналог передачи информации по каналу связи для квантового случая. Однако, в отличие от классического сценария, законы квантовой физики разрушают квантовую информацию у отправителя. То есть квантовая информация переходит с одного объекта на другой, а не остается на них обоих, как это есть в обычных классических устройствах.

Что дает Нобелевская премия и почему ее должен получить Белл

Нобелевская премия — это не просто денежное вознаграждение, а еще и в большей степени признание достижений на самом высоком мировом уровне, говорит Андрей Семенов. Он рад, что в этом году отметили само нарушение неравенств Белла, но считает, что сам Белл должен также быть лауреатом Нобелевской премии: "К большому сожалению, он очень рано ушел из жизни. А Нобелевскую премию не дают посмертно".