Нобелова награда: физиците си поделят наградата за прозрения в призрачния свят на квантовата механика



Публикувано: 4 октомври 2022 г., 15:15 CEST

Членовете на Нобеловия комитет по физика обявяват носителите на Нобеловата награда за физика за 2022 г. (LR на екрана) Ален Аспект, Джон Ф. Клаузер и Антон Зейлингер. TT News Agency / Alamy Stock Photo
Нобеловата награда за физика за 2022 г. беше присъдена на трио учени за пионерски експерименти в квантовата механика, теорията, обхващаща микросвета на атомите и частиците.

 

Alain Aspect от Universitй Paris-Saclay във Франция, John Clauser от JF Clauser & Associates в САЩ и Anton Zeilinger от Университета на Виена в Австрия, ще си поделят наградата от 10 милиона шведски крони (US$915 000) „за експерименти със заплетени фотони, установяване на нарушението на неравенствата на Бел и пионер в науката за квантовата информация”.

 

Светът на квантовата механика наистина изглежда много странен. В училище ни учат, че можем да използваме уравнения във физиката, за да предвидим как точно ще се държат нещата в бъдеще – къде ще отиде една топка, ако я търкулнем надолу по хълм, например.

 

Квантовата механика е различна от това. Вместо да предсказва отделни резултати, той ни казва вероятността да открием субатомни частици на определени места. Една частица всъщност може да бъде на няколко места едновременно, преди да „изберем“ едно място на случаен принцип, когато го измерваме.

 

Основани на доказателства гледни точки по европейски въпроси от водещи експерти Вземете нашия бюлетин Дори самият велик Алберт Айнщайн беше обезпокоен от това – до точката, в която беше убеден, че това е грешно . Вместо резултатите да са случайни, той смяташе, че трябва да има някои „скрити променливи“ – сили или закони, които не можем да видим – които предсказуемо влияят на резултатите от нашите измервания.

 

Някои физици обаче възприеха последствията от квантовата механика. Джон Бел, физик от Северна Ирландия, прави важен пробив през 1964 г., създавайки теоретичен тест, за да покаже, че скритите променливи, които Айнщайн е имал предвид, не съществуват.

 

Според квантовата механика частиците могат да бъдат „заплетени“, призрачно свързани, така че ако манипулирате едната, вие автоматично и незабавно манипулирате и другата. Ако тази призрачност – далеч една от друга частици, мистериозно си влияят мигновено – трябваше да се обясни с частиците, комуникиращи помежду си чрез скрити променливи, това щеше да изисква комуникация по-бърза от светлината между двете, което теориите на Айнщайн забраняват.

 

Квантовото заплитане е предизвикателна концепция за разбиране, като по същество свързва свойствата на частиците, независимо колко далеч една от друга са те. Представете си електрическа крушка, която излъчва два фотона (светлинни частици), които се движат в противоположни посоки от нея.

 

Ако тези фотони са заплетени, тогава те могат да споделят свойство, като тяхната поляризация, независимо от разстоянието им. Бел си представи да прави експерименти с тези два фотона поотделно и да сравнява резултатите от тях, за да докаже, че са заплетени (истински и мистериозно свързани).

 

Клаузър прилага теорията на Бел на практика във време, когато правенето на експерименти с единични фотони е почти немислимо. През 1972 г., само осем години след известния мисловен експеримент на Бел, Клаузър показа, че светлината наистина може да бъде заплетена.

 

Въпреки че резултатите на Clauser бяха новаторски, имаше няколко алтернативни, по-екзотични обяснения за получените от него резултати .

 

Ако светлината не се държи точно както смятат физиците, може би неговите резултати биха могли да бъдат обяснени без заплитане. Тези обяснения са известни като вратички в теста на Bell и Aspect беше първият, който оспори това.

 

Aspect измисли гениален експеримент, за да изключи една от най-важните потенциални вратички в теста на Bell. Той показа, че заплетените фотони в експеримента всъщност не комуникират помежду си чрез скрити променливи, за да решат резултата от теста на Бел. Това означава , че те наистина са призрачно свързани .

 

В науката е изключително важно да тестваме концепциите, които смятаме за правилни. И малцина са изиграли по-важна роля в това от Aspect. Квантовата механика е била тествана отново и отново през изминалия век и е оцеляла невредима.

 

Квантова технология На този етап може да ви бъде простено да се чудите защо има значение как се държи микроскопичният свят или че фотоните могат да бъдат заплетени. Това е мястото, където визията на Zeilinger наистина блести.

 

Австрийският квантов физик Антон Цайлингер стои в кабинета си в Института по квантова оптика и квантова информация (IQOQI) dpa picture alliance / Alamy Stock Photo Някога използвахме знанията си по класическа механика, за да създаваме машини, да правим фабрики, което доведе до индустриалната революция. Познаването на поведението на електрониката и полупроводниците доведе до дигиталната революция.

 

Но разбирането на квантовата механика ни позволява да я използваме, да създаваме устройства, които са способни да правят нови неща. Всъщност мнозина вярват, че това ще доведе до следващата революция на квантовата технология.

 

Квантовото заплитане може да бъде използвано в компютрите за обработка на информация по начини, които не са били възможни преди. Откриването на малки промени в заплитането може да позволи на сензорите да откриват нещата с по-голяма точност от всякога. Комуникацията със заплетена светлина също може да гарантира сигурност, тъй като измерванията на квантовите системи могат да разкрият присъствието на подслушвателя.

 

Работата на Zeilinger проправи пътя за квантовата технологична революция, като показа как е възможно да се свържат поредица от заплетени системи заедно, за да се изгради квантов еквивалент на мрежа.

 

През 2022 г. тези приложения на квантовата механика не са научна фантастика. Имаме първите квантови компютри . Сателитът Micius използва заплитане , за да позволи сигурни комуникации по целия свят. А квантовите сензори се използват в приложения от медицински изображения до откриване на подводници.

 

В крайна сметка Нобеловият панел за 2022 г. призна важността на практическите основи, създаващи, манипулиращи и тестващи квантовото заплитане и революцията, която то помага да се задвижи.

 

Радвам се да видя това трио да получава наградата. През 2002 г. започнах докторска степен в университета в Кеймбридж, която беше вдъхновена от тяхната работа. Целта на моя проект беше да направя просто полупроводниково устройство за генериране на заплетена светлина.

 

Това трябваше да опрости значително оборудването, необходимо за извършване на квантови експерименти и да позволи изграждането на практически устройства за приложения в реалния свят. Работата ни беше успешна и ме изумява и вълнува да видя скоковете и границите, които са направени в областта оттогава.