Нобелевскую премию по физике в 2022 году получили исследователи Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за исследования в области квантовой механики, открывшие путь для новых технологий. Какие именно эксперименты проводили нобелевские лауреаты, в чем их роль для современной науки и для чего их идеи активно развиваются в России, разбиралась «Газета.Ru» с помощью ученых.

Нобелевскую премию по физике 2022 года получили физики Ален Аспе из Университета Париж-Сакле, Джон Клаузер из исследовательской компании J. F. Clauser & Associates и Антон Цайлингер из Венского университета за эксперименты в области квантовой запутанности, изучение нарушений неравенств Белла и «новаторство в квантовой информатике». Об этом сообщили представители Нобелевского комитета на церемонии в Стокгольме.

Исследования лауреатов «открыли путь для новых технологий», основанных на квантовой механике, пояснили в комитете.

Квантовая запутанность

Квантовая запутанность возникает в тот момент, когда две или более частицы становятся связанными между собой. При этом явлении то, что происходит с одной частицей, сразу же влияет на другую, несмотря на расстояние между ними.

Исследования Аспе, Клаузера и Цайлингера позволили значительно продвинуться в понимании квантовой запутанности и того, как можно использовать ее в прикладных целях. Сегодня этот феномен лежит в основе современных квантовых технологий и, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи, — они полностью исключают возможность незаметной «прослушки».

В 2015 году доказательство существования квантовой запутанности читатели журнала Science признали пятым по значимости событием года — после пролета зонда New Horizons над Плутоном и развития технологии редактирования генов CRISPR/Cas9.

Сломали систему

Долгое время оставался открытым вопрос, не обусловлена ли квантовая запутанность тем, что частицы в паре содержат скрытые параметры, которые влияют на результаты экспериментов. В 1960-х годах физик-теоретик Джон Стюарт Белл разработал математические неравенства, позволяющие проверить, есть ли в квантовой системе такие скрытые переменные — если неравенства выполняются, значит, переменные есть.

А в 1970-1980-х годах сначала Клаузер, а затем и Аспе смогли экспериментально добиться нарушения неравенств, что подтвердило отсутствие скрытых параметров.

В частности, Аспе закрыл возможную «лазейку», которая могла повлиять на результаты Клаузера. Ему удалось переключить настройки измерения на экспериментальной установке после того, как запутанная пара покинула источник, так что настройки, существовавшие в момент испускания частиц, не могли повлиять на результат. В дальнейшем добиться нарушений неравенств Белла удалось более чем 30 исследовательским группам.

Эксперименты с неравенствами Белла внесли большой вклад в развитие квантовых коммуникаций, рассказал «Газете.Ru» научный руководитель группы «Атомные и оптические квантовые вычисления» Российского квантового центра Станислав Страупе.

«Есть физика классическая, в которой все детерминировано. Зная начальные условия, вы точно будете знать, что произойдет в классической системе. С квантовой теорией оказывается, что есть неопределенность.

Даже если вы думаете, что все знаете о системе, существуют ситуации, в которых вы предсказать результат не можете, есть только вероятности того или иного исхода. Эта особенность квантовой теории многим не нравилась, в частности Эйнштейну. Он считал, что должна быть другая, более глубокая теория, в которой вероятности не будет.

Однако в ХХ веке Джон Белл решил, что можно придумать эксперимент, результаты которого могли бы показать, необходима ли эта вероятность. Они были проведены нынешними лауреатами и продемонстрировали, что квантовая теория верна, и она прекрасно описывает наш мир. И, даже если ученые придумают новую теорию, более глубокую, то в ней все равно будет присутствовать вероятность. Неопределенность всегда будет», — пояснил он.

Россия не отстает

Технологии, за которые Аспе, Клаузер и Цайлингер удостоились премии, активно развиваются и в России, рассказал «Газете.Ru» руководитель квантового центра МГУ им. Ломоносова Сергей Кулик.

«Квантовая криптография уже активно используется в России. Идеи, которые развивают Аспе, Клаузер и Цайлингер, параллельно развивались и в СССР, что, конечно, не умаляет заслуг нобелевских лауреатов перед наукой. Это выдающееся достижение, им неоднократно прогнозировали вручение этой премии, прогнозировали заслуженно. Тем более сейчас эти технологии реализуются бурно и не за горами тот день, когда мы будем говорить о появлении каких-то пользовательских устройств с квантовыми системами», — заявил Кулик.

По словам Сергея Кулика, он знаком с работами всех трех физиков, и смог лично поработать с Цайлингером.

«Я лично знаю Антона Цайлингера. Мы ежегодно проводим школу в Сочи по квантовым технологиям, и в прошлом году он там выступал. Мы много лет работаем совместно», – отметил Кулик.

В частности, идеи, к развитию которых приложили руку нобелевские лауреаты, нашли применение в исследованиях, проводимых в НИТУ МИСиС.

«МИСиС использует многие принципы, которые были предложены в экспериментах трех нобелиатов, например, принципы приготовления квантовых состояний света, которые используются в коммуникации. Квантовая коммуникация в России очень серьезно развита. Некоторые компании уже производят для нее технологическое оборудование. В этой сфере Россия находится на мировом уровне», – рассказал «Газете.Ru» руководитель лаборатории теории квантовых коммуникаций НИТУ МИСиС Алексей Федоров.

По его словам, вся область квантовых технологий выстроилась на идеях Аспе. Однако российских разработчиков нельзя назвать прямыми «продолжателями» его работ.

«В России ведется демонстрация различных применений квантовых коммуникаций. Не только в оптоволоконном варианте реализации, но и в открытом пространстве в каналах прямой видимости. Также работа над новыми протоколами квантовых коммуникаций, как оптимальным образом использовать ресурсы, даваемые нам квантовой механикой и природой, чтобы делать наши технологии лучше. Одним словом, квантовая связь в России есть и она работает. Приборы есть, следующий шаг – сертификация и внедрение», – объяснил Федоров.

Несмотря на важность работы исследователей, обычные пользователи вряд ли пока могут ощутить преимущества квантовых технологий.

«Квантовые технологии гарантируют стопроцентную защиту от прослушивания, что может быть преимуществом, например, в онлайн-банкинге. Но квантовый интернет не быстрее обычного. Квантовому компьютеру можно задать несколько арифметических задач одновременно, он будет решать их параллельно, а не последовательно.

Нельзя сравнивать скорость, потому что здесь действуют другие принципы. Но есть математические задачи, которые суперкомпьютер не сможет решить за миллиарды лет, а квантовый компьютер сможет.

Благодаря параллельному методу расчета он обладает огромными возможностями», — рассказывал Цайлингер ранее в интервью немецкому изданию Profil.

Также он выступил против исключения российских ученых из международных исследований в связи с событиями на Украине — по крайней мере, тех, кто настроен оппозиционно.

Эксперты сходятся на том, что исследования тройки физиков стали фундаментом для активного развития квантовых технологий в наши дни и найдут широкое применение в будущих проектах. В частности, как отметил в беседе с «Газетой.Ru» директор НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) МГТУ им. Н.Э.Баумана Илья Родионов, нобелевские лауреаты этого года внесли особый вклад в изучение однофотонных процессов, открывающих дорогу к методам передачи информации, основанным на принципах квантовой механики — так называемого «квантового интернета».

«Мы с командой имели уникальную возможность посетить лекцию господина Аспе в рамках конференции SPIE в Страсбурге в 2018 году, и используем материалы коллег в собственных разработках систем интегральной фотоники.

Исследования Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера довольно четко рисуют картину ближайшего будущего, активно формируемого сегодня достижениями в области квантовых технологий, включая коммуникации», — заключил Родионов.