Во вторник 4 октября 2022 года в Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по физике. Премия присуждена за исследования в области квантовой информации. Лауреатами стали Ален Аспе (Alain Aspect, Франция), Джон Клаузер (John Francis Clauser, США) и Антон Цайлингер (Anton Zeilinger, Австрия). В этот раз премию не стали делить между двумя научными направлениями, как в минувшие годы. Все три лауреата получили по 1/3 части за одну тематику. Официальная формулировка комитета: «за эксперименты со спутанными фотонами, установку нарушения неравенств Белла и основополагающие работы в области квантовой информации».
Физики проводили основополагающие эксперименты со спутанными квантовыми состояниями — системами, в которых квантовые частицы ведут себя как одно целое, даже находясь на значительном удалении друг от друга. Самые известные объекты такого типа — спутанные фотоны, с которыми, по-видимому, сейчас проводят большинство экспериментов. Квантовую запутанность, хоть и реже, но пробуют реализовать и на других объектах — отдельных атомах. Подчеркнём, что квантовая запутанность — специфическое свойство материи, которое следует из законов квантовой механики и очень непросто объясняется интуитивно. См. подробнее об этом, например, недавнюю статью о рекордном расстоянии (33 километра), на котором экспериментаторы смогли спутать состояния двух атомов рубидия.
Долгое время теоретиков волновал вопрос о природе такой корреляции частиц в спутанной паре. Одно из возможных объяснений — так называемые скрытые переменные. Теория скрытых переменных предполагает, что парадоксы квантовой механики являются следствием неполноты описания природы — отсюда якобы и следует вероятностный характер квантовых предсказаний. Сторонником такой интерпретации был и Эйнштейн, которому приписывают максиму «Бог не играет в кости». В 1960 году Джон Стьюарт Белл вывел математическое неравенство, носящее теперь его имя. Оно чётко формализует эту проблему: если существуют скрытые переменные, корреляция между результатами значительного количества измерений не может превысить некоторого предела. А квантовая механика, в свою очередь, утверждает, что в экспериментах определённого типа неравенство Белла нарушается, то есть возможна более сильная корреляция квантовых частиц.
Джон Клаузер, теперь независимый исследователь из США (J.F. Clauser & Assoc., Walnut Creek, CA), развил идеи Белла, приведя их к практическим экспериментам. Он работал с атомами кальция, которые могут излучать спутанные фотоны при облучении их светом с определёнными свойствами. Сущность экспериментов была в измерении поляризации двух фотонов в спутанной паре при помощи специальных фильтров. После целой серии измерений удалось показать, что неравенство Белла нарушается.
Ален Аспе (Alain Aspect) из университета Париж — Сакле и Высшей школы политехники развил схему эксперимента, устранив некоторые подводные камни. Он использовал новый способ возбуждения атомов, так, что удалось добиться более высокой интенсивности испущенных фотонов. Более важно, что он нашёл способ переключения схемы измерения после того, как спутанная пара вылетает за пределы источника. В этом случае исключается влияние на корреляцию фотонов со стороны самой установки, которая существовала в момент запуска пары.
Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) из Венского университета также проводил множество экспериментов по проверке неравенства Белла, усовершенствовав методику обоих предшественников. Он создавал спутанные пары фотонов, направляя луч лазера на специальные кристаллы, а также пошёл дальше, чем Ален Аспе — он также переключал схемы экспериментов, чтобы они не могли повлиять на поведение уже вылетевших фотонов, и при этом использовал генератор случайных чисел для переключения между несколькими схемами. В одном из экспериментов для управления фильтрами были задействованы сигналы от удалённых галактик — в таком случае можно было наверняка сказать, что они не влияют друг на друга. Также Аспе сделал шаг к практическому использованию спутанных состояний. В частности, его группа первой продемонстрировала эффект, который сейчас у многих на слуху — «квантовую телепортацию».
Каждый год за некоторое время перед объявлением победителей агентство Clarivate составляет рейтинг «потенциальных нобелевских лауреатов». Рейтинг основывается на наукометрических показателях, в частности, на цитируемости тех или иных исследований. Собственно, агентство ведёт одну из признанных мировых баз научных журналов WoS, или Web of Science, — публикации в одном из журналов в этой базе часто являются формальным требованием для измерения «производительности» научных сотрудников во многих странах. Так, в этом году фаворитами и авторами «научных исследований нобелевского класса» по физике назвали нескольких именитых учёных, работающих в области квантовой теории многих тел и исследования наноматериалов. Одного из лауреатов прошлого года, Джорджио Паризи (Giorgio Parisi), агентство действительно угадало, а в целом счёт «попаданий», по их словам, составляет 64 лауреата в разных областях. В этом году не получилось угадать фамилии, но агентство правильно предсказало тематику, которая будет в научном тренде ближайшие несколько лет — это квантовая запутанность, информация и другие необычные свойства квантового мира, которые уже находят практическое применение.
