Нобель 2022. Квантово-механическое трио

Американец Джон Клаузер – один из тех, кто заложил основы современной экспериментальной и квантовой физики. Фото Reuters

Новая физика рождалась в начале ХХ века как игра ума и на кончике пера, взяв на вооружение латинское «квантум». Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за математическое описание эффекта, проявляющегося в том, что световые частицы-корпускулы достаточной энергии выбивают из тонкой металлической фольги электроны, ток которых используется в фотоэлементах (примерно о том же писал российский физик Петр Лебедев (1866–1912), обосновывая еще в конце ХIХ века эффект «давления света»). Автор общей теории относительности (ОТО) постулировал реальность гравитационных волн и линз, а также – что было неслыханно! – единство пространства и времени.

Через год за премией в Стокгольм вызвали датчанина Нильса Бора, отметив тем самым его квантовые скачки (quantum jumps), противоречившие эйнштейновской идее «падения» электрона на ядро атома. Реальность провидческих идей была экспериментально доказана лишь через 75 лет, а в случае гравитационных волн и вовсе через век.

Австриец Эрвин Шрёдингер получил свою премию через десять лет после Бора. Ему в пару нобелевские судьи добавили Поля Дирака, которому был всего 31 год, что в случае лауреатов нынешнего года просто немыслимо (за два года до этого Дирака избрали членом АН СССР).

Шрёдингер широко известен двумя своими предположениями, одно из которых связано с так называемым «энтенглментом», или спутанностью. Австриец заявил, что квантовые состояния (quantum states) двух частиц могут быть связаны, несмотря на расстояние между ними. Вторая идея была связана иллюстрацией такого квантового понятия, как когерентность-суперпозиция, описывающего одновременность и равновероятность совершенно разных квантовых состояний. Известный мысленный эксперимент Шрёдингера: кот, сидящий в закрытой коробке, может быть и живым, и мертвым одновременно в зависимости от квантового состояния частиц, включающих механизм умерщвления животного. В связи с этим парадоксом возникал вопрос о неопределенности границы между классическим состоянием и квантовым.

Граница эта отнюдь не на замке, так как многие привычные нам процессы суть квантовые, например фиксация атмосферного азота. В промышленности азотных удобрений применяются высокие температура и давление, в то же время микробы азот-фиксаторы осуществляют этот квантовый переход при обычных условиях. Еще один пример – удержание выбитого фотоном (квантом света) электрона от релаксации (возвращения на исходный уровень) и тем самым возникновения неэффективного рассеяния энергии в виде тепла или свечения (флюоресценции).

Не будем забывать и о мазерах и лазерах, за которые советским физикам Александру Прохорову и Николаю Басову также была присуждена Нобелевская премия по физике за 1964 год. Лазер произвел настоящую революцию в экспериментальной физике, в том числе и квантовой. Ученые со временем научились получать одиночные-single фотоны, которые стали основой новых квантовых технологий. Собственно, за эти технологии и получили свои Нобелевские премии по физике трое ученых-физиков в 2022 году: Ален Аспект (Франция), Джон Ф. Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия) – «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».

Спутанность (энтенглмент) элементарных частиц трудно не только изобразить, но даже представить.   Иллюстрация Йохана Йарнестада/Шведская королевская академия наук

Его французский коллега Аллен Аспект в начале 1980-х расширил опытную схему, что принесло ему заслуженный авторитет среди коллег. Он начинал как квантовый оптик и подверг проверке теорию квантовой «спутанности» пар фотонов, испускаемых возбужденными атомами кальция. Кроме того, француз использовал фильтры для получения поляризованных фотонов, а также создал переключатель для разных опытов, тем самым «очистив» эксперименты от паразитической информации. Затем Аспект переключился на активные занятия лазерным охлаждением, без которого невозможно представить создание атомных часов. Ален Аспект – член французской Академии наук, профессор парижского Политеха. Как отмечается, он гордится тем, что является почетным доктором шотландского университета Хериота-Уатта, членом Королевского общества в Лондоне, АН США и Австрии.

Гражданином последней и соотечественником Шрёдингера является Антон Цайлингер. Его считают чуть ли не отцом-основателем квантовой информатики и первым из физиков, осуществившим телепортацию пар фотонов (вслед за ним недавно то же самое стали делать с электронами и атомами). Ему доверили основание Австрийского Института науки и технологии. Оно и неудивительно, если учесть, что он впервые создал указанные пары, направляя лазер с определенной длиной волны на особый кристалл. В качестве стандарта времени для повышения точности измерений австриец использовал сигналы, приходящие к Земле от далеких галактик. Этим он достигал четкого контроля использовавшихся фильтров для уверенности в том, что импульсы не будут взаимодействовать друг с другом, тем самым «смазывая» сигналы. n