Заходят как-то в Шведскую академию наук физики Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер и забирают Нобелевскую премию. Официально — «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике». В переводе на более человеческий язык — за то, что создали фундамент квантовой эры, в которую вступает человечество. В переводе на еще более человеческий язык — за то, что доказали: телепортация существует.
На этой неделе в Стокгольме раздают Нобелевскую премию. Мы следим за ней краем глаза, чтобы рассказывать тебе о самых интересных открытиях, и наконец нашли одно такое. Трое ученых разделили главную научную награду, доказав, что телепортация вполне реальна.
Для начала разберемся, что это за неравенство Белла такое, которое фигурирует в названии премии. Копать придется глубоко. Очень глубоко.
В историю — с головой
В классической оптике есть такое понятие — явление поляризации. Его суть заключается в том, что электромагнитная волна может иметь ориентацию в пространстве. Проходя через устройство под названием «поляризатор», свет становится не таким интенсивным и ориентируется относительно оптической оси поляризатора. Пропусти свет через такой же параллельный поляризатор — и ничего не изменится. Но если один из поляризаторов развернуть на 90°, света на выходе не будет. Вообще.
В то же время пучок света можно разделить (разными способами) на два с противоположными поляризациями. Причем при расщеплении соблюдаются законы сохранения энергии и импульса.
Когда наступили времена становления квантовой механики, физики наперебой стали демонстрировать удивительное отрицание давно устоявшихся законов и принципов. В отношении природы света — в особенности. Ньютон в 1670-х говорил, что «свет, по-видимому, состоит из частиц», Юнг в 1800-х — что «свет никак не может состоять из частиц», Бор в 1910-х — что «свет все-таки состоит из частиц». В 1920-х пришел Эйнштейн и обозвал всех сумасшедшими. Он спорил с создателями квантовой механики, объединившись с Борисом Подольским и Натаном Розеном, задумался над тем, можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным, и вместе они сформулировали так называемый ЭПР-парадокс (по первым буквам фамилий).
ЭПР-парадокс заключается в следующем. Как объяснил РИА «Новости» старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации Сколтеха Игорь Захаров, классическая физика говорит: когда две связанные определенным образом частицы сталкиваются и разлетаются, действует закон сохранения энергии. То есть, когда направление вращения первой частицы направлено в одну сторону, а направление вращения другой — в противоположную. Сумма их вращения равна нулю, и, если измерить частицу в одном месте, результат измерений в другом станет тут же известен. Квантовая физика с таким порядком дел не согласна. Она считает, что направление вращения фиксируется измерением первой частицы. Вторая каким-то образом узнает, как вертится первая, и крутится в противоположную сторону. Вот тебе и ЭПР-парадокс.
На сайте Нобелевского комитета объясняется, что запутанные пары можно сравнить с машиной. Вот она выбрасывает шарики разных цветов в противоположных направлениях. А вот мальчик ловит черный мяч и понимает, что девочка поймала белый. Согласно классической физике, шары всегда были такими, а мы просто ликвидируем свое незнание их цвета. Однако квантовая механика утверждает, что шары не имели определенного цвета до тех пор, пока кто-то не посмотрел на них. И только тогда один случайным образом стал белым, а другой — черным.
Эйнштейн квантовую механику считал неполной и пытался найти скрытые переменные, которые и определяют результат экспериментов.
И пришел Белл
В 1964 году физик Джон Стюарт Белл доказал: есть тип эксперимента, способный установить, возможно ли описание мира, отличное от квантово-механического. По его логике, если неизвестные переменные существуют, то такой эксперимент, повторенный несколько раз, даст определенное статистическое значение.
А что нобелиаты?
Один из нобелиатов, Джон Клаузер, развил идеи Белла и провел практический эксперимент. Он построил аппарат, испускавший одновременно два запутанных фотона. Частицы под некоторым углом направляли на фильтры, устроенные наподобие солнечных очков. Они блокировали свет, поляризованный в определенной плоскости. Фотоны были с параллельной поляризацией, направление которой и устанавливали с помощью фильтров.
Эксперимент подтвердил квантовую механику и нарушил неравенство Белла. Это означало, что квантовую механику нельзя заменить теорией, использующей скрытые переменные.
Но другой участник эксперимента, Ален Аспе, нашел в опыте изъян. У него появился вопрос: а не могла ли установка выбрать частицы с сильной корреляцией и проигнорировать другие? Тогда он немного пофиксил устройство, регистрировал фотоны, не прошедшие через фильтр, и направлял частицы к двум фильтрам, установленным под разными углами. Тумблеры задавали направление фотонам уже после того, как те вылетели из источника. Это происходило за миллиардные доли секунды, что исключало даже теоретическую возможность подделки результатов.
Тут-то на усовершенствованные инструменты и длинную серию экспериментов и накинулся третий участник эксперимента, Антон Цайлингер, который начал использовать запутанные квантовые состояния. В результате среди прочего исследовательская группа продемонстрировала явление, называемое квантовой телепортацией, которое позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии.
Поможет ли нам исследование нобелиатов быстрее добираться из бара домой, пока неизвестно, но мы очень на это надеемся! Не хотелось бы, чтобы оно превратилось в историю одного физика, который доказал, что путешествия во времени возможны (но бесполезны).
