Ученые получили Нобелевскую премию по физике за доказательство неправоты Эйнштейна

Нобелевская премия по физике 2022 года присуждена трем ученым за новаторские эксперименты в области квантовой механики — теории, описывающей микромир атомов и частиц.

Ален Аспект из Университета Париж-Сакле во Франции Джон Клаузер из J.F. Clauser & Associates в США и Антон Цайлингер из Венского университета в Австрии разделят призовую сумму в 10 миллионов шведских крон (915 000 долларов США) «за эксперименты с запутанными фотонами, установившие нарушение закона Белла». неравенства и новаторская квантовая информатика».

Мир квантовой механики действительно кажется очень странным. В школе нас учат, что мы можем использовать уравнения в физике, чтобы точно предсказать, как будут вести себя вещи в будущем — например, куда полетит мяч, если мы скатим его с холма.

Квантовая механика — это отличается от этого. Вместо того, чтобы предсказывать отдельные результаты, он говорит нам о вероятности обнаружения субатомных частиц в определенных местах. На самом деле частица может находиться в нескольких местах одновременно, прежде чем «выбрать» одно место случайным образом, когда мы ее измерим.

Даже самого великого Альберта Эйнштейна это беспокоило — до такой степени, что он убежден, что это неправильно. Вместо того, чтобы результаты были случайными, он считал, что должны существовать некоторые «скрытые переменные» — силы или законы, которые мы не можем видеть, — которые предсказуемо влияют на результаты наших измерений.

Однако некоторые физики приняли следствия квантовой механики. Джон Белл, физик из Северной Ирландии, совершил важный прорыв в 1964 году, разработав теоретический тест, чтобы показать, что скрытые переменные, которые имел в виду Эйнштейн, не существуют.

Согласно квантовой механике, частицы могут быть «запутанные», причудливо связанные, так что если вы манипулируете одним, то вы автоматически и немедленно манипулируете и другим.

Если бы это жуткое явление — частицы, находящиеся далеко друг от друга, таинственным образом мгновенно влияющие друг на друга — объяснялось взаимодействием частиц друг с другом через скрытые переменные, это потребовало бы связи между ними со скоростью, превышающей скорость света, что запрещено теориями Эйнштейна.

Квантовая запутанность — сложная для понимания концепция, по существу связывающая свойства частиц независимо от того, как далеко друг от друга они. Представьте себе лампочку, излучающую два фотона (частицы света), которые движутся в противоположных направлениях от нее.

Если эти фотоны запутаны, то они могут иметь общее свойство, например поляризацию, независимо от расстояния до них. . Белл представлял себе проведение экспериментов с этими двумя фотонами по отдельности и сравнение их результатов, чтобы доказать, что они запутаны (на самом деле и загадочно связаны).

Клаузер применил теорию Белла на практике в то время, когда проводил эксперименты с одиночными фотонами. было почти немыслимо. В 1972 году, всего через восемь лет после знаменитого мысленного эксперимента Белла, Клаузер показал, что свет действительно может быть запутан.

Хотя результаты Клаузера были новаторскими, было несколько альтернативных, более экзотических объяснений полученных им результатов.

Если бы свет вел себя не совсем так, как думали физики, возможно, его результаты можно было бы объяснить без запутанности. Эти объяснения известны как лазейки в тесте Белла, и Aspect был первым, кто это оспорил.

Aspect придумал оригинальный эксперимент, чтобы исключить одну из самых важных потенциальных лазеек в тесте Белла. Он показал, что запутанные фотоны в эксперименте на самом деле не взаимодействуют друг с другом через скрытые переменные, определяющие результат теста Белла.

Это означает, что они действительно связаны жутким образом.

В науке невероятно важно проверять концепции, которые мы считаем правильными. И мало кто сыграл в этом более важную роль, чем Аспект. Квантовая механика проверялась снова и снова в течение прошлого века и осталась невредимой.

Квантовая технология

На данный момент вы можете быть прощены за вопрос, почему так важно, как ведет себя микроскопический мир , или что фотоны могут быть запутаны. Вот где видение Zeilinger действительно сияет.

Мы когда-то использовали наши знания в области классической механики для создания машин и заводов, что привело к промышленной революции. Знание поведения электроники и полупроводников привело к цифровой революции.

Но понимание квантовой механики позволяет нам использовать ее для создания устройств, способных делать новые вещи. Действительно, многие считают, что это приведет к следующей революции квантовых технологий.

Квантовую запутанность можно использовать в вычислениях для обработки информации способами, которые раньше были невозможны. Обнаружение небольших изменений в запутанности может позволить датчикам обнаруживать вещи с большей точностью, чем когда-либо прежде.

Общение с запутанным светом также может гарантировать безопасность, поскольку измерения квантовых систем могут выявить присутствие подслушивающего.

Работа Цайлинджера проложила путь к квантовой технологической революции, показав, как можно связать ряд запутанных систем вместе, чтобы построить квантовый эквивалент сети.

В 2022 году эти приложения будут запущены. квантовой механики — это не научная фантастика. У нас есть первые квантовые компьютеры. Спутник Micius использует запутывание для обеспечения безопасной связи по всему миру. Квантовые датчики используются в приложениях от медицинской визуализации до обнаружения подводных лодок.

В конце концов, нобелевская комиссия 2022 года признала важность практических основ для создания, управления и тестирования квантовой запутанности и революции, которой она помогает. водить машину.

Мне приятно видеть, что это трио получает награду. В 2002 году я защитил докторскую диссертацию в Кембриджском университете, вдохновившись их работой. Целью моего проекта было создание простого полупроводникового устройства для генерации запутанного света.

Это должно было значительно упростить оборудование, необходимое для проведения квантовых экспериментов, и позволить создавать практические устройства для реальных приложений. Наша работа увенчалась успехом, и я поражен и взволнован, увидев скачки, которые были сделаны в этой области с тех пор. .com/content/191884/count.gif?distributor=republish-lightbox-basic» alt=»Разговор» width=»1″ height=»1″ referrerpolicy=»no-referrer-when-downgrade»>

Роберт Янг, профессор физики и директор Ланкастерского центра квантовых технологий, Ланкастерский университет

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.