Когда-то самый известный физик Альберт Эйнштейн назвал запутанность призрачным действием на расстоянии — идея о том, что две частицы, разделенные огромными расстояниями, могут мгновенно влиять друг на друга лежит в самой основе того, что делает квантовую физику такой странной и непостижимой.
Во вторник утром Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике 2022 года трем квантовым физикам — Алену Аспекту, Джону Ф. Клаузеру и Антону Цейлингеру, чьи работы подтвердили это тревожное явление и поместили его в основу технической революции. В заявлении на своем веб-сайте Нобелевский комитет сообщает, что он совместно присудил Нобелевскую премию по физике 2022 года троице за их отдельные "эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторскую квантовую информатику".
Это звучит достаточно мощно, но ничего не объясняет. Что сделали эти физики такого, что их труд был отмечены наивысшей наградой?
Одним из самых захватывающих предсказаний квантовой механики является запутанность, когда можно подготовить далеко разнесенные частицы так, чтобы они вели себя как единое целое. Новаторские эксперименты Клаузера, Аспекта и Цайлингера показывают, что это ошеломляющее явление сохраняется на макроскопических расстояниях, демонстрируя недостаток классической модели. Этот феномен мгновенной квантовой связи между частицами на огромных расстояниях не учитывается в классической физике повседневного мира.
Результаты трио важны не только для нашего фундаментального понимания мира, но и указывают на будущие приложения, такие как безопасная связь с использованием квантовой криптографии и возможность создавать квантовые компьютеры ошеломляющей мощности.
В квантовой физике запутанность описывает состояние, в котором две частицы связаны таким образом, что измерение качества одной из них — называемой переменной — немедленно приводит к тому, что другая принимает соответствующее или антисоответствующее значение.
Это может показаться не слишком значительным на первый взгляд, но учтите, что это мгновенное изменение во второй частице произошло бы, даже если бы запутанная пара находилась на противоположных сторонах Вселенной.
Запутанность, как она была впервые предложена в 1930-х годах, покушалась на идею "локального реализма", которую можно свести к двум утверждениям. Во-первых, реализм утверждает, что все частицы обладают определенными свойствами для всех возможных измерений. Во-вторых, локальность говорит о том, что связь между частицами не может происходить быстрее скорости света.
Мгновенное действие запутанности поставило под сомнение как минимум одну из этих предпосылок, а может быть, и обе. Для Эйнштейна, бросая вызов локальности, эта мгновенная природа представляла угрозу одному из его ключевых принципов специальной теории относительности: тому факту, что ничто не может двигаться быстрее света.
Эйнштейн считал, что запутанность и ее призрачное действие на расстоянии не нарушают локальный реализм, а указывают на то, что квантовая физика неполна. Он считал, что в конечном итоге будут найдены элементы, связывающие переменные одной частицы с другой. Элементы, которые он и другие физики считали отсутствующими, стали известны как "локальные скрытые переменные".
Работа Клаузера, Аспекта и Цайлингера настолько новаторская и достойна высшей награды в физике, потому что она убедительно доказала, что скрытых переменных не существует. Но причина, по которой нелокальность не нарушает теории относительности, непонятна и с тех пор является предметом горячих споров. Одно из предположений состоит в том, что запутанные частицы по-прежнему являются частью одной и той же системы, поэтому расстояние между ними не имеет значения.