Нобелевская премия по физике 2022 года вручена Алену Аспеку, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за «эксперименты с перепутанными фотонами, по проверке неравенств Белла и пионерские работы в области квантовой информации».

Фактически, речь идет об огромном цикле работ по интерпретации фундаментальных экспериментов с неклассическими состояниями света, состоящего из пар коррелированных фотонов и различных приложений таких состояний в области квантовой обработке информации – области, которая в настоящее время называется «квантовые технологии».

Необходимо отметить, что квантовая оптика, как экспериментальная наука, получила мощный импульс на рубеже XX-XXI веков. Это связано с бурным развитием экспериментальной техники и, прежде всего, с появлением компактных и удобных в работе полупроводниковых счетчиков фотонов, а также совершенствованием методов нелинейной оптики. Именно достижения нелинейной оптики вкупе с развитием материаловедения позволили создать эффективные источники коррелированных пар фотонов на основе эффекта спонтанного параметрического рассеяния света – явлении, за открытие которого физики Московского университета получили в 1983 году Государственную премию СССР.

Эксперименты, о которых говорится в объявлении нобелевского комитета, поначалу воспринимались как абстрактные игрушки, лишь подтверждающие адекватность квантовой механики. Результаты этих экспериментов использовались для интерпретации трудно воспринимаемых выводов квантовой теории. Например: 

• перепутанные пары фотонов иллюстрируют сугубо квантовое свойство, согласно которому совместное состояние двух квантовых систем может быть определено лучше, чем состояния подсистем;
• нарушение неравенств Белла можно использовать в качестве критерия неклассичности состояний света;
• квантовая телепортация квантовых битов информации может выступать в качестве ресурса квантовой связи и/или квантовых вычислений.

Тогда в 80-е годы прошлого века вряд ли кто-нибудь мог даже представить себе, что через 30-40 лет неклассические состояния света станут мощными инструментами, на основе которых будут созданы абсолютно защищенные сети передачи данных, высокопроизводительные компьютеры и сверхчувствительные сенсоры. В справедливости квантовой механики мало кто сомневался, однако со временем упомянутые эксперименты совершенствовались и были доведены до уровня технологий, без которых сегодня немыслимо существование бурно развивающейся отрасли «квантовые технологии». Три ученых-лауреата внесли весомый вклад в экспериментальную квантовую оптику. Их по праву можно назвать «отцами- основателями» науки о квантовой обработке информации.

Здесь необходимо отметить, что существенный вклад в развитие и нелинейной и квантовой оптики внесли ученые Московского университета. Речь идет о двух Школах мирового уровня – Школе нелинейной оптики Рэма Викторовича Хохлова и Школа квантовой оптики Давида Николаевича Клышко.

На основе развиваемых в этих Школах идей стало возможным использовать бифотоны в метрологии – при разработке принципиально новых фотометрических эталонов спектральной яркости излучения, для абсолютной безэталонной калибровке фотодетекторов, а также в качестве генераторов одиночных фотонов. Пары перепутанных фотонов стали «рабочей лошадкой» не только квантовой оптики, но и квантовых технологий в целом. Сейчас трудно представить такого раздела квантовых технологий, в котором бы не использовались пары перепутанных фотонов: квантовые коммуникации, квантовые вычисления и квантовая сенсорика – все эти субтехнологии во многом базируются на статистических свойствах бифотонов. И по сей день процесс спонтанного параметрического рассеяния является одним из наиболее эффективных источников таких состояний света. С момента открытия этого эффекта Давидом Николаевичем Клышко в 1967 году появились новые нелинейные материалы, существенно изменилась аппаратная база оптических экспериментов. Это дало возможность поднять эффективность генерации бифотонов в тысячи раз, создать компактные источники и приемники таких состояний и работать с ними не как с объектом изучения, а как с надежным инструментом в проведении фундаментальных и прикладных работ в области квантовой обработки информации и спектроскопии.

Отметим, что один из лауреатов – австрийский физик Антон Цайлингер – неоднократно бывал в МГУ и обсуждал проводимые здесь эксперименты. В 2021 году году он выступил на традиционной Школе по квантовым технологиям с лекцией на тему «От перепутанных квантовых головоломок к квантовой информации».

Вручение Нобелевской премии по физике 2022 года ознаменовало триумф фундаментальной науки, которая от абстрактных умозрительных экспериментов прошла полувековой путь к ярким практическим применениям на уровне одиночных квантовых объектов - фотонов.

*На фотографии - Антон Цайлингер во время посещения нашей лаборатории в 2015 году. Слева направо: И.Радченко, А.Цайлингер, С.Кулик, К.Кравцов.