Нобелевскую премию по физике в 2022 году присудили Алену Аспе (Франция), Джону Клаузеру (США) и Антону Цайлингеру (Австрия) с формулировкой «за эксперименты с запутанными фотонами, открытие нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике». Работы ученых приближают человечество к созданию полноценного «квантового интернета», в котором передача информации сможет стать абсолютно безопасной. Но объяснить суть исследований Аспе, Клаузера и Цайлингера очень сложно: все они связаны с законами квантовой механики, которые отчасти противоречат нашему интуитивному восприятию мира. И все-таки попробуем разобраться.

Сначала о простом — есть ли практическая польза от того, что сделали нынешние лауреаты?

Если формулировать совсем вольно, то Нобелевскую премию по физике в этом году присудили за будущий «квантовый интернет». Так называют сети коммуникаций, по которым путешествуют не просто какие-то электроны или фотоны, а электроны и фотоны, сохраняющие свои квантовые состояния. Корректнее даже сказать, что путешествуют в таких сетях сами квантовые состояния. А кто именно является их носителем — фотоны, электроны или даже отдельные атомы, — становится неважным. Главное, что дает передача нетронутых квантовых состояний (по крайней мере в теории), — это принципиальная невозможность подслушать или подменить сообщение, то есть абсолютная безопасность связи.

Каким будет, когда появится, что будет собой представлять квантовый интернет и какая информация будет по нему путешествовать — ни на один из этих вопросов внятного ответа пока нет. Но главное, что есть ответ на другой, более принципиальный вопрос: возможна ли в принципе передача квантовой информации на расстояние? Сохраняет ли носитель свою «квантовость» при передаче? Можно ли из этого крайне хрупкого материала построить что-то, работающее в нашем довольно грубом мире? Работы нынешних лауреатов дают положительные ответы на все эти вопросы.

Формально первые квантовые сети уже существуют. В 2021 году на территории кампуса Университета Дельфта физики из нидерландского квантового центра QuTech продемонстрировали первый — самый примитивный, однако рабочий и полноценный — прототип такой сети. Она состоит из теоретически минимального числа узлов — всего трех, — но работает и способна передавать фотоны в квантовых состояниях из одного места в другое. До этого на протяжении десятилетий лет физики из исследовательских центров по всему миру заочно соревновались друг с другом в передаче квантовой информации между разными точками, все больше удаляя их друг от друга (и повышая качество связи), по линиям коммуникации, то есть системам из двух узлов. Исследовательские центры, которые строят такие сети, привлекают все больше внимания и финансирования, в том числе частного (особый интерес проявляют банки). Появились они и (пока) существуют и в России.

Несмотря на нынешнюю примитивность и крайнюю «медлительность», уже в том виде, в котором они сейчас существуют, квантовые сети можно использовать для практических задач. Например, для безопасного обмена криптографическими ключами, при помощи которых шифруются пользовательские данные в «большом» интернете. Подобные ключи создаются всякий раз, когда браузер соединяется с новым сайтом по безопасному протоколу — шифрование не дает третьей стороне подслушать сообщения. Те же ключи используются и в каналах банковской связи, да и вообще везде, где есть современное шифрование. По сравнению с объемом передаваемой информации длина таких ключей крайне невелика — и потому их возможно передавать за разумное время даже в крайне медленной (сегодня) квантовой сети.

Что будет дальше с квантовыми сетями, предсказать несложно — перед нами пример интернета. Со временем скорость передачи информации и сложность сетей будут неизбежно увеличиваться, они будут объединяться, через них станет возможным передавать все большие объемы информации, и нет сомнений, что через несколько лет или десятилетий они займут отдельную нишу. Вероятно, такие сети не заменят, а дополнят обычный интернет и будут использоваться для передачи «особо важной» информации, защищенной не обычной криптографией, а законами квантовой физики (например, тех же ключей).

Как все это будет выглядеть, предсказать сложно, да и история обычного интернета показывает, что его функция со временем менялась (помнит ли сейчас кто-то, что интернет создавался для обмена научными данными?). Так что гадать бесполезно. Достаточно сказать, что, например, банки и военные, очевидно, интересуются квантовыми коммуникациями не просто так.

А теперь о важном — и гораздо более сложном. Разбираем суть открытий нобелевских лауреатов (и констатируем сложность их понимания)

Из вполне очевидной логики практического применения квантовых коммуникаций возникают гораздо более глубокие вопросы. А чем, собственно, квантовые сети принципиально отличаются от обычных? Зачем кому-то нужно передавать само квантовое состояние, нельзя ли передать просто информацию о нем, если оно все равно будет измерено и превратится в обычные 0 или 1? Почему информацию в квантовом состоянии нельзя перехватить и подменить, как любое другое сообщение? И самое главное — что именно сделали нынешние нобелевские лауреаты, что сделало возможным существование принципиально иного способа передачи информации?

Есть, к сожалению, лишь один честный способ ответить на эти вопросы — отослать читателя к учебнику квантовой механики (например, вот этому). Ведь любые другие приемы — метафоры, аналогии, примеры из жизни, пресловутый кот Шредингера — только запутывают ситуацию, так как вместо понятного описания непонятной реальности предлагают описание понятное, но совсем другой реальности.

Сложность с пониманием результатов экспериментов в квантовой механике, в том числе экспериментов нынешних лауреатов, происходит не из-за того, что есть особо долгая история вопроса (как в философии и истории) или используются особо сложное оборудование и приборы (они как раз очень просты). Сложность — в самой природе законов этой механики, которые очень сложно согласовать с врожденной человеческой интуицией.

Разобрать эту сложность можно на примере «запутанности», которая упоминается в формулировке премии — ее, напомним, вручили за «эксперименты с запутанными фотонами, открытие нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».

Обычно запутанность фотонов (да и любых других частиц) описывают как связь между ними, которая позволяет им мгновенно — буквально мгновенно, то есть вообще без задержек — «чувствовать» друг друга на расстоянии, каким бы оно ни было. «Чувствовать» так, что воздействие на одну частицу должно мгновенно передаться другой.

Эксперименты нынешних лауреатов так и выглядели: сначала Джон Клаузер, а затем Ален Аспе создали установки, где облучали атомы специально подобранным светом так, что в результате атомы испускали тесно связанные пары фотонов. Связь заключалась в том, что если мы, например, измерим их поляризацию в одном направлении и поляризация первого фотона будет положительной, то затем при измерении второго фотона его поляризация всегда будет отрицательной. И наоборот, если у первого она будет отрицательной, то у второго окажется положительной. При этом фотоны могут быть удалены друг от друга на какое угодно расстояние — и тем не менее эта связь будет сохраняться.

Казалось бы, есть прекрасная аналогия из жизни — можно, например, представить ситуацию, когда вы забыли один из ботинок в путешествии и привезли домой только второй из той же пары. Получается, в момент, когда вы достаете правый ботинок из чемодана (проводите измерение), вы мгновенно узнаете, что где-то за тысячи километров от вас в гостинице находится не какой-то абстрактный, а именно левый ботинок конкретно из этой пары.

Аналогия кажется понятной, но не передает сути квантового мира. Дело в том, что вы можете проводить измерения поляризации ваших фотонов как угодно — в вертикальном, горизонтальном или любом другом промежуточном направлении, получая тот же бинарный (положительный или отрицательный, левый или правый) результат. В нашей аналогии это можно сравнить с тем, что открыв чемодан другим образом, вы найдете уже не один из ботинок, а одну из перчаток — тоже либо правую, либо левую. С ними тоже соблюдается закон парности, но ситуация усложняется — ведь в зависимости от того, как именно вы открываете чемодан, за тысячи километров от вашего дома в гостиничном номере вдруг оказывается либо ботинок, либо перчатка.

И здесь аналогия начинает распадаться: в нашем мире так не работает — вы забыли либо то, либо другое. В квантовом же мире вы можете сначала договориться с консьержем искать ботинки — и найдете их пару — или перчатки — и тоже найдете пару. Что же тогда вы забыли на самом деле?

Вы можете даже принять такую «запутанность» и все же попробовать использовать ее для передачи информации. Ведь ваше решение искать ту или другую вещь вроде бы мгновенно влияет на ситуацию за тысячи километров. Кажется, это позволяет мгновенно передавать информацию на любое расстояние быстрее скорости света. Но это, увы, экспериментально неверно. Передать информацию быстрее скорости света таким образом не получится.

Для продолжения аналогии остается такой выход: вы можете заявить, что перчатки и ботинки просто так сложно устроены, что заранее знают, во что должны превращаться при любых измерениях, то есть мгновенной передачи информации не происходит, но законы будущего поведения заранее «зашиты» в свои носители, а вы эти законы не знаете.

Это предположение о природе квантового мира — про сложно устроенные внутренние правила превращений — еще в 1930-х в виде парадокса сформулировали Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен. Эти вполне неглупые люди тоже с трудом принимали парадоксальные следствия запутанности, которые предполагают связь, для которой скорость света не является ограничением.

Собственно, неравенства Белла, за доказательства нарушения которых сегодняшние лауреаты получили премию, — это конкретная статистическая гипотеза про конкретный эксперимент с фотонами, предложенный Джоном Беллом в 1964 году и очень похожий на то, что изложено выше (в нем вы и консьерж миллионы раз случайным образом открываете чемоданы в разных частях планеты, записываете и сравниваете результаты). В видео ниже приведено одно из самых доступных (насколько это возможно без привлечения комплексной математики) объяснений того, как выводятся неравенства Белла.

Первый нынешний лауреат, Джон Клаузер, впервые довел предложенный Беллом эксперимент до практической реализации, использовав атомы кальция, которые генерировали запутанные пары фотонов. Именно он впервые установил, что неравенства Белла, видимо, действительно нарушаются в нашем мире и даже Эйнштейн и соавторы сильно ошибались относительно его реального устройства (весьма утешительное замечание).

Ален Аспе разработал сложную экспериментальную установку, которая позволила закрыть некоторые лазейки в интерпретации эксперимента Клаузера, и уже строго показал нарушение неравенств.

Антон Цайлингер же в дополнение к своей версии эксперимента разработал тесно связанные с современным квантовым интернетом методы передачи квантового состояния на расстояние (провел первую «квантовую телепортацию») и технологию запутывания разных пар частиц, то есть сделал то, без чего невозможно создание квантовых репитеров и преодоление ограничений на длину квантовой связи.

Подробнее и доступнее о нарушениях неравенств Белла и вообще о квантовых парадоксах можно прочитать в серии материалов «Квантовая азбука» научно-популярного сайта N+1.

Что говорят российские ученые о работах Клаузера, Аспе и Цайлингера?

Алексей Рубцов, научный руководитель группы «Коррелированные квантовые системы» Российского квантового центра, профессор МГУ, доктор физико-математических наук