Игра в квантовые кошки-мышки

Дэвид Уайнленд колдует за оптическим столом.
Фото Reuters

Нобелевская премия по физике досталась специалистам по квантовой оптике за разработку методов, производящих настоящий переворот в восприятии квантового мира.

Награды удостоились француз Серж Арош из Университета Пьера и Марии Кюри (Коллеж де Франс, Париж) и американец Дэвид Уайнленд из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (штат Колорадо) за «создание прорывных технологий измерения и манипулирования квантовыми системами».

У Сержа Ароша есть русские корни. Он родился в 1944 году в Касабланке, в еврейской семье марокканского происхождения (по отцу). Однако его мать ≈ уроженка Одессы Валентина Арош (урожденная Рублева). Она работала учительницей, а бабушка и дедушка по материнской линии – врачи Александр Рублев и София Фромштейн – покинули Советский Союз в начале 1920-х годов, поселившись первоначально в Париже, а затем в Касабланке. Дэвид Уайнленд родился в том же 1944 году в столице штата Висконсин Милуоки.

Фундаментальный принцип неопределенности Гейзенберга (установленный в 1927 году) гласит, что нельзя одновременно узнать точное местонахождение и импульс частицы. Сам процесс измерения привносит такую погрешность, что обессмысливает попытки «поймать ее за бороду», как выразился когда-то в своем «Марше физиков» Владимир Высоцкий. В квантовом мире существуют и другие, не менее странные на первый взгляд правила. Состояние частицы может быть суперпозицией совершенно разных состояний, поддающихся измерению, а группы частиц могут быть связаны между собой загадочным образом посредством так называемой спутанности или запутанности. «Свое личико» эти частицы могут открыть лишь при уничтожении квантовых состояний путем достаточно мощного внешнего воздействия. Это позволяет, например, создавать абсолютно защищенные каналы связи, но при этом делает подобные эксперименты верхом эквилибристики, поскольку любого измерения достаточно, чтобы необратимо разрушить систему.

Серж Арош поддержал традиции французской школы физиков. Фото Reuters

Тем не менее нынешние нобелеаты до какой-то степени научились обходить этот фундаментальный запрет. Методы, разработанные Уайнлендом и Арошем, дали возможность исследовать состояния отдельных частиц, не разрушая их. Арош использовал атомы рубидия в качестве сверхчувствительного зонда для фотонов микроволнового диапазона, запертых в резонаторах, между двумя сверхпроводящими зеркалами. Использовались так называемые ридберговские атомы, у которых внешний электрон находится в высоковозбужденном состоянии. Электрон в таких атомах сильно удален и слабо связан с ядром, потому внешние поля оказывают на него более заметное влияние. Путем изучения состояния атомов до и после пребывания в зеркальной ловушке можно косвенным образом «считать» квантовые состояния микроволновых фотонов, запертых внутри, без необратимых разрушений. Уайнленд реализовал противоположный по смыслу подход, используя уже свет для считывания квантовых состояний атомов – ионов бериллия в ловушке из электрических полей. Исследователи научились использовать лазеры для изменения вибраций между ионами (для их охлаждения, перевода в самое нижнее энергетическое состояние), что позволяло контролировать квантовые взаимодействия в системе. Обе методики помогли изучить основы квантовой механики и открыли путь к разработке принципиально новых технологий, таких как квантовые компьютеры или атомные часы, обладающие беспрецедентной точностью. Подобные часы уже созданы, а вот с квантовыми компьютерами не все так просто – они остаются гипотетическими устройствами, хотя работы в этом направлении последние годы активно ведутся и даже построены ограниченные по своим возможностям (до 128 кубитов) квантовые счетчики. В будущем квантовые компьютеры обещают существенно повысить эффективность вычислений и сделать возможным решение принципиально нерешаемых ныне задач (например, в криптографии). От компьютеров, работающих на основе классической механики, они отличаются тем, что оперируют не двоичными битами (имеющими лишь два взаимоисключающих состояния 1 и 0), а квантовыми битами, или кубитами, способными принимать промежуточные значения (в суперпозиции).