Нобелевская премия по физике 2012: новый виток квантовой петли

Нобелевская интрига, связанная с присуждением премии в области физики 2012, сохранялась до 2 часов дня 9 октября — времени, когда Нобелевский комитет объявил имена лауреатов в области физики. Одной из причин особого любопытства в этом году послужил прогноз Рейтер, который «сделал ставку» на тройку учёных: Чарлза Беннетта (Charles Bennett), Жиля Брассарда (Gile Brassard) и Вильяма Вутерса (William Wootters), известных своими работами по телепортации квантовых состояний. Имена Беннетта и Брассарда также хорошо известны благодаря первому криптографическому протоколу, основанному на обмене квантовыми частицами — т.н. протокол ВВ84.

Тем не менее, объявленные Нобелевским комитетом имена Сержа Ароша (Serge Haroche) и Давида Вайнленда (David Wineland), не попавшие в список Рейтер, не разочаровали. Несмотря на обтекаемую формулировку: «за основополагающие экспериментальные методы, позволившие измерять и манипулировать состояниями отдельных квантовых частиц», стало ясно, что квантовая информатика теперь официально признана не просто как наука, а как передовая область исследований, нужная и важная для человечества (как того требует завещание Альфреда Нобеля).

Мне бы хотелось обсудить два вопроса: за что и почему получили Нобеля Арош и Вайнленд, и почему не получила премии упомянутая тройка BBW. Начну с «научной политики». Сегодня квантовая информатика является достаточной модной и популярной темой, однако отношение к ней в разных возрастных категориях очень разное — от восторженного («Круто! Хочу этим заниматься») у молодых до очень сдержанного («Скорее всего, ничего из этого не выйдет»), а иногда и резко негативного («Ерунда все это») среди людей постарше. Среди исследователей, занимающихся многочисленными и разнообразными проблемами квантовой информатики, достаточно много скептиков и пессимистов, считающих квантовые вычисление принципиально неосуществимыми. Сложившаяся ситуация типична для молодой, зарождающейся науки — научное сообщество и общество в целом должны привыкнуть к новым идеям и к тому, что эти идеи новые. Так было и во времена Карно, когда зарождалась термодинамика, т.к. обществу пришлось впервые поставить под сомнение мысль о Вечной (ни начала, ни конца) Вселенной. Так было и сто лет назад при становлении квантовой механики, поскольку она внесла в науку «неощутимые» понятия, возможность находиться и здесь и там и прочие неопределенности.

Квантовая информатика как область исследований и учебная дисциплина активно развивается с начала 21 века, т.е. всего лет десять. Мне кажется, что Нобелевский комитет, ощущая необходимость общественного признания квантовой информатики, решил сделать это достаточно осторожно, не вызывая раздражения у скептически настроенной части научной общественности. Беннетт, Брассард и Вутерс — символы квантовой информатики, они имеют огромный индекс цитирования в этой области (что, собственно, и легло в основу прогноза Рейтер), их имена знает каждый, кто хоть раз не поленился погуглить на тему квантовых вычислений.

Премия за методы, которые революционизировали атомную физику

Нобелевский уровень экспериментов Ароша и Вайнленда, хорошо известных среди специалистов, не вызывает сомнений. С другой стороны, направленность исследований, как это видно даже из названий публикаций, однозначно ведет к квантовой информатике, к созданию квантового компьютера, усовершенствованию квантовых криптографических протоколов. В общем, и скептики сыты, и оптимисты целы, а ряды квантовых информатиков, как это всегда бывает после Нобелевской премии, существенно пополнятся молодыми, талантливыми и по-хорошему амбициозными учеными, которые верят, что их Нобелевская премия еще впереди.

А теперь — о существе исследований лауреатов. Тематика исследований двух учёных «зеркальна»: Арош управляет фотонами с помощью атомов, а Вайнленд управляет атомами с помощью фотонов.

Начнём с достижений Ароша. Его группа научилась «считать» фотоны и, что более важно, управлять состоянием фотонов, не разрушая его (в той мере, в которой это позволено квантовой физикой). В чем же тут сложность? При обработке или передаче классической («обычной») информации мы периодически считываем информацию для того, чтобы проверить и устранить возможные ошибки, сделать резервную копию и т.п. С точки зрения физики считывание означает измерение состояния вычислительной системы, а для квантовых систем измерение может полностью «убить» (разрушить) состояние и тем самым стереть обрабатываемую информацию. Считывание информации настолько сильно влияет на квантовые объекты, что этот факт сформулировали в виде теоремы «know-go»: если мы подглядываем за квантовой системой, то её квантовость начинает разрушаться.

Арош, как и многие другие исследователи, работал над реализацией так называемого «слабого измерения», при котором «подглядывание», с одной стороны, дает информацию о системе, а с другой стороны, позволяет продолжать квантовые вычисления, т.е., не разрушает состояние. В итоге удалось разработать и осуществить эффективный метод управления квантовыми состояниями. Предложенная схема основана на двух явлениях: квантовом эффекте Зенона и изменении состояния атома при взаимодействии со светом.

Классический парадокс Зенона известен всем: Ахиллес никогда не догонит черепаху, если будет подсчитывать расстояние, которое надо преодолеть. В квантовом мире этот парадокс принял форму теоремы про чайник, который никогда не закипит. Другими словами, если все время наблюдать за квантовой системой (делать измерения, или «приподнимать крышку чайника»), то состояние этой системы не будет меняться. В экспериментах Ароша (см. Рис.) роль содержимого чайника выполняют фотоны, помещённые в специальную полость С, а роль торопыги-наблюдателя — цепочка из отдельных, пролетающих через полость атомов, состояние которых при этом перепутывается с состоянием фотонов. Измерение состояния атома, вылетевшего из полости (детектор D), даёт частичную информацию о состоянии фотонов, которая после обработки обычным компьютером (блок QuFilter) используется для дальнейшей корректировки состояния: источник S условно говоря «впрыскивает» в полость нужное количество микроволн и тем самым осуществляется обратную связь.

Рис. Система управления квантовым состоянием: В — источник атомов-измерителей, С — «шкатулка» для фотонов, интерферометры R1 и R2 используются для подготовки атомов (красные кружки) в специальных состояниях, которые потом измеряются с помощью детектора D, S — источник микроволнового излучения. (Схема любезно предоставлена И. Доценко)

В чем важность результатов этих для квантовой информатики — ведь выполнять логические операции над отдельными кубитами научились и другие исследователи, причем сделали это гораздо раньше? Группа Ароша впервые создала и замкнула петлю квантовой обратной связи, ту петлю, без которой не обходится ни одна информационная система.

Давид Вайнленд (David Wineland)

Теперь обратимся к результатам Вайнленда. Ему удалось осуществить полный набор необходимых для квантовых вычислений логических операций над системой, состоящей из двух ионов бериллия. Казалось бы, что в этом особенного — научные журналы пестрят статьями про реализацию квантовых алгоритмов на самых разных системах: от отдельных атомов, управляемых лазерным излучением, до сверхпроводящих кубитов. Однако, представьте себе этакий современный компьютер, который работает при температуре 0,001 К или требует глубокого вакуума. Для такой вычислительной машины требуются специальные, очень сложные физические приборы: низкотемпературные криостаты, высоковакуумные насосы, прецизионные лазеры. А кубиты Вайнленда работают при комнатной температуре и для их управления нужен не мощный газовый лазер, а всего лишь проводник с переменным током, частота которого, к тому же, лежит в очень удобном для применения ГГц диапазоне. Так что «повелитель ионов» не только поставил очень красивые физические эксперименты, но и создал системы, которые могут стать удобной элементной базой для квантовых компьютеров.

Игорь Доценко и Серж Арош (Serge Haroche)

В заключение замечу, что один из самых активных сотрудников Ароша, Игорь Доценко, является выпускником Национального Киевского университета им. Шевченко. В 2010 г. он представлял результаты исследований группы Ароша на проходившей в Киеве XIII Международной конференции по квантовой оптике и квантовой информации (ICQOQI’2010). Так что в принципе Нобелевский результат в Украине быть может, хотя и проездом.