Нобелівську премію з фізики 2022 отримали Ален Аспе (Alain Aspect), Джон Клаузер (John F. Clauser) та Антон Цайлінґер (Anton Zeilinger) за «експерименти із заплутаними фотонами, встановлене порушення нерівностей Белла та новаторство у квантовій інформатиці». Результати роботи вчених відкрили шлях до нових технологій, заснованих на використанні ефектів квантової механіки в інформаційних технологіях. Лауреатів Шведська королівська академія наук оголосила під час трансляції на сайті Нобелівської премії.
Квантові ефекти, у тому числі і відома квантова заплутаність — зв'язок частинок між собою незалежно від відстані, на яку вони рознесені у просторі, — проявляють себе лише у мікросвіті, що втім, не заважає фізикам шукати шляхів їхнього практичного використання. І явище квантової заплутаності як можливість завдяки зв'язку між частинками виявляти стан обох, здійснюючи лише одне вимірювання, може змінити наше розуміння криптографії, безпеки та швидкості обчислень. І робота всіх трьох дослідників, яких відзначили нагородою, стала основою для квантових інформаційних технологій.
Про зв'язок частинок між собою, власне заплутаність, квантова механіка говорить, що у системі нема прихованих параметрів, тобто вона не піддається принципу локального реалізму і на її компоненти, наприклад ці частинки, їхнє оточення не впливає — як і вони на нього. У такому випадку квантову заплутаність можна було б використовувати для передавання інформації — на противагу тому, що постулював Айнштайн. Айнштайн вважав, що результат будь-якого параметра, якщо його можна виміряти, заданий його станом до проведення вимірювання (власне вимога реалізму), а також цей стан, відповідно з принципом локальності, не може змінитися через вплив віддаленої події (зміни стану іншої частинки, наприклад), якщо не було відправлено якого-небудь сигналу заздалегідь.
І щоб перевірити, чи дійсно це так, інший відомий фізик — Джон Белл — у 1960-х роках запропонував теорему, відому як нерівності Белла. Якщо нерівність задовольняється, то система дійсно має приховані параметри і стан, у якому опиниться частинка, не є пов'язаним зі станом частинки, з якою вона квантово заплутана.
Якщо уявити квантово заплутані частинки як кольорові кульки, то квантова механіка говорить, що тримаючи у руках квантово заплутану білу кульку, Аліса може бути точно впевнена, що кулька у руках Боба буде чорною. При цьому до того, як Аліса і Боб взяли кульки в руки, їхній колір взагалі сірий, тобто стан частинки до експеримента, втручання в систему, визначити неможливо. Однак справдження нерівностей Белла означало би, що насправді кульки ніколи не мали «невизначеного» стану і тому заздалегідь мали б певний колір.
На першій ілюстрації зображено систему, що містить приховані параметри (якби нерівності Белла б справдилися), а на другій — як і постулювала квантова механіка, поки частинки не піддаються вимірюванням, вони зберігають стан суперпозиції (є ніби водночас і білими, і чорними). Nobel Prize
Власне, нагороджений цього року фізик Джон Клаузер знайшов спосіб експериментально перевірити справедливість нерівностей Белла та зміг довести, що вони все ж порушуються, а отже прихованих параметрів у квантовій механіці та її ефектах немає. Як і перешкод для використання їх в інформатиці.
Французький же фізик Ален Аспе розвинув ідеї Клаузера та не лише з більшою точністю експеримента довів, що нерівності Белла не задовольняються, а і вдосконалив експериментальну установку Клаузера для генерації заплутаних частинок, зробивши так, що стан випущених заплутаних фотонів не залежав від початкових умов. Він дозволив уникнути «лазівки», яка говорила, що Аліса могла б впливати на вибір Боба ще до того, як він візьме кульку в руки, бо поляризація (колір) заплутаних частинок в його установці випадково змінювалася під час польоту фотонів між детекторами за час, менший, ніж необхідно частинці на проліт.
І нарешті Антона Цайлінґера відзначили за продемонстровану можливість квантової телепортації — точне «відтворення» квантового стану одного об'єкта на іншому. Його робота експериментальна, яка показала, що заплутані пари фотонів можуть пройти у різних напрямках та функціонувати як сигнали у квантовій мережі. Це, включно з можливістю «обмінюватися» заплутаним станом, дасть можливість відправляти закодовану таким чином інформацію на більші відстані.
Таким чином, головної наукової відзнаки у царині фізики вчені удостоїлися за створення теорії та методів, які лягли в основу використання квантових ефектів у царині інформаційних технологій. Нагороду, а також 10 мільйонів шведських крон вчені розділять між собою порівну.
Минулого року лауреатами Нобелівської премії з фізики стали дослідники хаотичних систем. Нагородою відзначили Шукуро Манабе і Клаус Хасельман за моделювання клімату Землі і внесок у прогнозування глобального потепління, а також Джорджіо Паризі за відкриття прихованих патернів поведінки частинок у невпорядкованих матеріалах. Детальніше про те, хто вручає нагороду і коли вчені її отримають можна прочитати у нашому розборі «Нобелівська премія — це «Оскар» світу науки?».