Как наш университет связан с Нобелевской премией 2022?

31 декабря 2022, 15:42

В этом году лауреатами Нобелевской премии по физике стали француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Цайлингер. Эти ученые удостоены своей награды за «эксперименты со спутанными фотонами, которые продемонстрировали нарушение неравенств Белла и дали начало квантовой информатике». О том, какое отношение к этой теме имеет Алферовский университет, мы поговорили с заведующим кафедрой общей физики Романом Полозковым и научным сотрудником лаборатории эпитаксиальных нанотехнологий Константином Котляром.

Чтобы разобраться в формулировке, подведем небольшую историческую справку. История исследований в области квантовой механики началась в середине 1930-х годов со статьи Эйнштейна, Подольского и Розена, в которой был сформулирован парадокс (отсюда и название ЭПР-парадокс), которым авторы пытались показать противоречивость данной науки и невозможность описать ее классическими методами. Именно работа этих трех великих ученых проложила путь к концепции квантового спутывания.

Шредингер первым осознал, что логический анализ ЭПР-парадокса ведет к важнейшему выводу: квантовая механика допускает такие состояния физических систем, при которых корреляции между их элементами оказываются сильнее любых корреляций, допускаемых классической физикой. Эти состояния он и назвал спутанными, в немецком оригинале Verschrankung. Отсюда следует, что каждая такая система представляет собой единое целое, не допускающее разделения на независимые части. Это свойство квантовых систем принято называть нелокальностью.

В начале 50-х годов американский физик Дэвид Бом сформулировал новую версию ЭПР-эксперимента, которая резче демонстрировала его парадоксальность и упрощала его математический анализ. Однако ученый ориентировался на словесную гипотезу Шредингера. Перевести ее на язык чисел, чтобы проверить с помощью измерений, смог ирландский ученый Джон Белл только спустя 10 лет. Он сформулировал первое из названных его именем неравенств, которое позволяло осуществить проверку гипотезы. Он утверждал, что никакое описание микропроцессов не может объяснить все без исключения статистические результаты, получаемые в рамках стандартной квантовой механики. Белл показал, как можно подтвердить или опровергнуть реальность спутанных состояний на основе бомовской версии мысленного эксперимента ЭПР. Однако его схема не годилась для реализации «в железе».

Спустя несколько лет была опубликована работа одним из новых нобелевских лауреатов Джоном Клаузером с новой версией белловского неравенства, которая уже допускала экспериментальную проверку. Однако при работе прибора для изготовления и регистрации спутанных состояний возникали источники «загрязнения», поэтому нужны были годы для создания прибора, результаты работы которого были бы очищены от посторонних шумов. Этого смогли добиться французский физик Ален Аспе в начале 80-х и австрийский физик Антон Цайлингер в конце 90-х годов. Итогом их работы стало доказательство нарушения неравенства Белла.

Исследования Цайлингера также стали важным этапом на пути разработки методов, позволяющих переносить состояние одной квантовой частицы на другую — так называемой квантовой телепортации. Один из самых первых экспериментов этого рода он вместе с коллегами осуществил еще до своей новаторской проверки нарушения неравенства Белла. Используя квантовую спутанность частиц, такие операции можно производить практически с нулевой вероятностью ошибок. Эти методы нашли применение в разработке протоколов квантовой криптографии: копирование состояния квантовых объектов на километровых расстояниях и осуществление передачи сообщений, полностью защищенных от перехвата. Помимо этого, феномен спутанности открывает путь и к созданию квантовых компьютеров. Квантовый компьютер может одновременно оперировать огромным количеством чисел, недоступным для любого классического вычислительного устройства. И это свойство связано как раз с тем, что он использует спутанные состояния.

По словам одного из научных сотрудников лаборатории эпитаксиальных нанотехнологий Константина Котляра, в нашем университете тоже занимаются изучением квантовой спутанности: «Алфёровский университет занимается близкими исследованиями - в области как теоретических расчётов, так и экспериментов по синтезу квантоворазмерных наногетероструктур. Это один из основных компонентов, строительных кирпичиков, на основе которых будут созданы фотонные-квантовые микросхемы, устройства приёма и передачи квантовой информации, абсолютного шифрования данных. Например, одним из достижений нашей лаборатории является разработка технологии создания источников одиночных фотонов и их непосредственный синтез в форме нанопроволок с внедрёнными в их структуру квантовыми точками из различных материалов. Отмечу, что эта технология позволяет интегрировать материалы оптоэлектроники A3B5 с кремниевой платформой. Нами показано, что такие объекты являются источниками одиночных фотонов. Это очень важный результат, поскольку такой излучатель и принципы его построения можно использовать для создания источника запутанных фотонов. В Алфёровском университете множество научных сотрудников работают над исследованием квантовых явлений в полупроводниках для создания квантовой электроники. Таких мест не так много и, возможно, в какой-то момент наши учёные или коллеги будут тоже удостоены Нобелевской премии, ведь все мы делаем общий вклад в создание квантовых технологий будущего».

Автор: Даниил Заварин
Фотограф: Дарья Шишкина