Как современные физики доказали, что гении тоже могут ошибаться, совершили вторую квантовую революцию и открыли для человечества новые возможности.
В этом году лауреатами Нобелевской премии по физике стали француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антуан Цайлингер. В формулировке Нобелевского комитета указано, что эти учёные отмечены «за эксперименты с запутанными фотонами, которые продемонстрировали нарушение неравенств Белла и дали начало квантовой информатике». Что запутало эти фотоны, чем важна квантовая информатика и какую практическую пользу эти работы приносят человечеству, рассказывает Николай Колачевский, член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева.
Илл.: John Jost and Jason Amini/Nist, Science 2009
– Николай Николаевич, что такое квантовая запутанность и почему говорят, что физикам удалось распутать Вселенную?
– Для обывателя вопрос квантовой запутанности чрезвычайно непрост. Уже сто лет он будоражит умы учёных. Начался он в двадцатые годы прошлого столетия с так называемого парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена, или ЭПР-парадокса. Изначально споры вокруг парадокса носили скорее философский характер, но именно тогда появилась квантовая механика, многие постулаты которой плохо поддаются изучению. Там мало простых ньютоновских аналогов. Мы живем в ньютоновском мире, мыслим ньютоновскими категориями, а квантовая механика оперирует вероятностями, которые могут быть отрицательными, и перепутанностью, которую очень сложно осознать в рамках привычных нам физических представлений.
Если пытаться нарисовать этот парадокс очень грубо, то суть его в следующем: если мы возьмём частицу с нулевым спином, которая может распасться на две частицы, то возможны два варианта – левая окажется со спином минус одна вторая, а правая плюс одна вторая, либо наоборот. Мы не знаем, какой выпадет вариант. Природа не определилась, какая из частиц окажется в том или ином месте. Других вариантов нет, поскольку законы сохранения энергии должны работать. Представим, что одна частица улетит на Венеру, а другая на Марс. Математически всё это описывается в одну строчку и называется белловским состоянием. Это и есть состояние запутанности.
– Оно запутано, именно потому что мы не знаем, куда что улетело?
– Да, именно так. Это был мысленный, гипотетический эксперимент, в результате которого учёные сделали вывод: эти частицы сохраняют состояние запутанности, но если мы получим возможность увидеть, что одна из частиц имеет спин плюс одна вторая, то спин другой частицы, как мы понимаем, равен минус одна вторая. Должна быть строгая корреляция между одним и другим событиями.
Если вернуться в привычный ньютоновский мир, то можно представить, что у нас есть коробка с двумя ботинками – правым и левым. Допустим, мы разрезали эту коробку пополам, и один ботинок отправили на Марс, другой на Венеру, и мы не знаем, где какой ботинок находится. Если, находясь на Марсе, мы видим, что ботинок правый, значит, на Венере должен быть левый. Но квантовая запутанность гораздо тоньше и сложнее: мы можем с этим правым ботинком провести какую-то операцию – например, попытаться переделать его в левый.
– А такое возможно?
– Да, поскольку мы говорим о квантовом состоянии. При этом вторая частица должна симметрично повторять то, что происходит с первой. Иначе говоря, кажется, что происходит обмен информацией, причем происходит мгновенно.
– Со скоростью света?
– Не совсем так. Скорость света, хоть и велика для нас, имеет конечное значение, а здесь речь идет о мгновенно отклике. Именно в этом и состоит парадокс. Возможности проверить эту историю экспериментально не было, поэтому парадокс оставался неразрешимым.
– Слышала, что Эйнштейн отвергал квантовую механику, и на этом был построен его принципиальный спор с Нильсом Бором...
– Да, отсюда и родилось знаменитое выражение Эйнштейна, что Бог не играет в кости, которое означает, что не может быть случайного результата, эта корреляция задана заранее, предопределена; существует некое пространство скрытых переменных, которое определяет результат, а нам только кажется, что это происходит случайным образом.
Фактически до 1980-х годов этот вопрос находился под завесой тайны, а сегодняшние Нобелевские лауреаты с использованием состояния запутанных фотонов начали проводить тесты, чтобы как-то проверить этот парадокс.
– Раньше такое было невозможно?
– И невозможно, и подвергать сомнению авторитет Эйнштейна считалось чем-то неприличным. Но в итоге выяснилось, что, действительно, две частицы в квантовой механике оказываются очень сильно коррелированы, и если я совершаю операцию над одной, то вторая зеркально повторяет это действие. Измерения четко это демонстрируют. Тесты так называемого неравенства Белла приводят к тому, что если я ставлю эксперимент над квантовой системой, то результат измерения должен быть больше суммы вероятностей – условно, больше двойки. А если квантовая природа случайна и существует эйнштейновский мир скрытых переменных, то эта величина оказывается меньше двойки. Возникает неравенство, которое в одном случае подтверждается, в другом нарушается.
Это долгая, насыщенная история, в которой было много оппонентов, не согласных с доказательствами, считавших, что попытка опровержения взглядов Эйнштейна сама по себе крамольна. Однако неоспоримая фундаментальная ценность этой работы в том, что наши трое коллег экспериментально подтвердили довольно простые постулаты квантовой механики. На бумаге они выглядят как совсем несложные математические выражения, показывающие, что нет никаких скрытых переменных, и природа именно так себя ведёт.
– Значит, неверно расхожее утверждение, что нет ничего случайного? Случайность существует?
– Да, существует. Запутанные частицы сохраняют корреляцию на больших расстояниях, что открывает новые колоссальные возможности – телепортация, передача квантовой информации, квантовые вычисления.
– Всегда есть люди, скептически настроенные по отношению к Нобелевке. Вы считаете, что в данном случае всё заслужено?
– Безусловно. Нобелевские награды часто критикуют за отсутствие практических приложений, но в данном случае это точно не так. Здесь есть глубокий философский смысл: интересное фундаментальное ядро коллеги смогли развить экспериментально, объяснив и подтвердив запутанность, которая, как отмечалось, на бумаге записывается очень просто.
– То есть, история оказалась не такой уж запутанной?
– Она действительно запутанная. То, что сегодня в этом направлении делается, находится на грани фантастики. Удалось доказать существование связи между удалённым частицами, в то время как световой сигнал не успевает распространиться от одной частицы к другой. Они друг про друга «знают» быстрее, чем световые импульсы успевают дойти.
– Каким же образом им это удаётся? Ведь мы привыкли думать, что ничего быстрее света в природе не существует.
– Механизм этого процесса нам пока непонятен. Тут есть над чем работать. При этом сами эксперименты могут быть очень яркими: так, недавно учёные захватили два атома на расстоянии десятков километров друг от друга, перепутали их, с помощью фотонов их «связали», а потом, совершая операции над одним атомом, как бы крутя «левый ботинок», они увидели, что правый тоже крутится.
Как это происходит, каким образом природе это удается, человечество ещё не разобралось, но то, что это происходит именно так, как предписывает квантовая механика, не вызывает сомнений. Это означает, что мы можем брать частицу, изменять её спектр, временные характеристики, какие-то свойства, а вторая откликнется, хотя она давно улетела на другой конец города, страны, земного шара.
– Или на другую планету. Знаю, что в руководимой вами лаборатории оптики сложных квантовых систем ведутся подобные исследования. В чём они заключаются?
– Несколько лет назад мы подключились к исследованиям по квантовым вычислениям. В России реализуется дорожная карта по квантовым вычислениям, которую курирует Росатом, и мы стали одной из научных групп, нацеленных на решение этих задач. Мы проводим свои исследования на основе ионов и видим, что операция над одной частицей напрямую влияет на состояние другой, и всё это также базируется на запутанности. Квантовая операция в ионном или фотонном компьютере – это продукт запутывания двух частиц.
У нас есть очень красивый эксперимент, когда ионы выстраиваются в цепочку. В простейшем понимании, один ион – это один кубит. Две соседних частицы с помощью лазерных импульсов и кулоновского взаимодействия, как два шарика на пружинке, запутываются между собой, и мы получаем состояние, о котором я говорил. Мы работаем на самом современном уровне, но основываясь на тех пионерских работах, которые были сделаны предшественниками. Кстати, в 2015-м году у нас в ФИАНе выступал Антуан Цайлингер с докладом на тему квантовой запутанности. Алан Аспе был у нас в 2018-м. Это было невероятно интересное общение.
– Чем ваши исследования оригинальны?
– Я говорил о том, что один ион – это один кубит. Но дело в том, что количество ионов, которые можно удержать в ловушке, сейчас обычно не превышает 50. Тут мы упираемся в техническое ограничение. Мы предложили и реализовали экспериментально, что можно записать в ион не один кубит, а несколько. Внутри одной частицы заключено несколько регистров квантовой информации, и они тоже взаимодействуют. Оригинальность наших работ как раз в том, что мы работаем не с кубитами, а с так называемыми куквартами, когда в одной частице задействовано четыре уровня. Это совершенно новое направление. Мы предложили оригинальную систему в ионе иттербия, больше никто в мире с такой не работает. А с такими сложными многоуровневыми системами работает всего три группы в мире.
Второе – совместно с Квантовым центром идёт работа в области оптимизации квантовых алгоритмов, чтобы с помощью минимального количества операций прийти к интересной реализации. Здесь мы тоже стали одними из идеологических лидеров в мире.
– Какие конкретные прикладные возможности всё это открывает?
– Здесь есть два направления, и оба активно развиваются. Первое – это квантовая коммуникация. Идея в том, что мы можем передавать зашифрованную информацию через состояние одиночных фотонов без возможности её перехватить. Это абсолютно защищённые каналы, базирующиеся на теореме запрета клонирования, известной в квантовой механике. Сегодня уже существуют каналы квантового шифрования, в том числе и в России. Здесь перепутанные состояния стали важнейшей веткой развития. Есть источники перепутанных состояний фотонов – фактически лазерные чипы, почти микросхемы, в которых один фотон идёт одному получателю, другой – другому, когда они обмениваются абсолютно защищёнными ключами. Эти технологии активно используются, например, в банковской сфере.
– Но что это даст обычным людям — не военным, не банкирам?
– В наше время очень мало кто не имеет отношения к банковской системе. Когда мы суём свою карточку в банкомат, происходит обмен цифры-ключа. Безопасность перевода денег базируется исключительно на качестве шифрования. Никто не хочет, чтобы с его счета «увели» деньги, не так ли? Точно так же, как никто не хочет, чтобы вашими персональными данными владели случайные люди, как, увы, нередко происходит. Развитие методов шифрования с помощью одиночных фотонов – это спасение. Для обывателя важен и вопрос безопасного подключения к Интернету, и вопрос защиты персональных данных – все эти вопросы сегодня обостряются, как никогда.
Второе направление, которое тоже активно развивается, как раз то, чем занимается моя лаборатория – квантовые вычисления. Практической пользы человечеству оно ещё не принесло, хотя ожидания очень большие. Это и телепортация, и квантовые операции, и многое другое.
– Когда я слышу слово «телепортация», сразу представляю себе фантастический фильм, где человек заходит в кабину, нажимает кнопку и тут же оказывается в совершенно другом месте. Тут же возникают разного рода опасности, как когда-то было показано в американском фильме ужасов «Муха». Как вы думаете, такое в принципе будет когда-нибудь возможно?
– Здесь идёт некоторое передергивание терминов. В фантастических произведениях идёт речь о телепортации материальных субстанций, что в принципе невозможно. Как говорил Михайло Ломоносов, «ежели где-то что-то прибыло, то где-то что-то убыло».
– А Фридрих Энгельс сказал, что «ничто не исчезает и не появляется вновь»...
– Всё верно. Закон сохранения энергии этому препятствует. Правильно говорить о передаче состояний. Мы понимаем, что отражение в зеркале – это не сам человек, но его чёткий, детальный образ. Поэтому мы говорим именно о телепортации квантовых состояний, когда мы можем с одного атома записать на другой точную информацию о нём.
Это, конечно, чудо – то, что уже сегодня мы можем на расстояние в сотни километров передавать волновую функцию, используя это для разного рода задач. Очень большие ожидания связаны с квантовыми компьютерами, когда квантовую информацию можно будет передавать с одного компьютера на другой. Такие компьютеры не смогут обмениваться информацией по Интернету, как происходит сейчас, им нужны специфические каналы связи, чтобы обмениваться квантовыми состояниями. Это вопрос нескольких десятилетий. Не прямо сейчас, но это обязательно будет.
Мы сейчас даже не можем себе представить, какие ещё перспективы это откроет, но они огромны. Сегодня мы говорим о второй квантовой революции, когда мы научились работать с отдельными фотонами, в то время как первая революция полностью изменила технологический уклад человечества.
Автор: Наталия Лескова
