Зв’язки між променями квантового світла: чи справді все так заплутано?
Сучасні технології допомагають проводити експерименти, втілення яких класики квантової фізики вважали абсолютно неймовірним. Сьогодні ці експерименти вже стали лабораторною рутиною. Завдяки ним з’являються нові технології: квантові комп’ютери, що зможуть розв’язувати надскладні задачі, захищена квантова телекомунікація, надточні вимірювання тощо. Світ стоїть на порозі другої квантової революції і кожне фундаментальне дослідження наближає майбутнє, у якому квантові технології стануть звичною реальністю.
Одне з таких досліджень проводять і науковці Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України разом із колегами з Інституту фізики НАН України. Вони намагаються виявити слабкі зв’язки між променями квантового світла, їх стійкість до впливу оточення у порівнянні з квантовою заплутаністю. У 2020 році їх проєкт «Некласичні та гібридні кореляції квантових систем за реалістичних умов» переміг у конкурсі «Підтримка досліджень провідних та молодих учених» Національного фонду досліджень України й отримав грантове фінансування в розмірі близько восьми мільйонів гривень.
Керівник проєкту – провідний науковий співробітник відділу синергетики Інституту теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова Андрій Семенов працює над задачами з основ квантової фізики уже багато років. І має вагомі здобутки! На початку 2000-х він працював у групі всесвітньовідомого вченого, професора Університету Ростока (Німеччина) Вернера Фогеля. «У 2009 році ми виконали роботу, практичне значення якої на той час тільки починало вимальовуватися. Ми були першими у світі, кому вдалося побудувати послідовну теорію каналів квантової комунікації в атмосфері, – зазначив пан Андрій. – Сьогодні наші результати використовують різні групи, які займаються практичним втіленням квантової комунікації, зокрема, з використанням супутників на навколоземній орбіті».
Чи існує «жахлива дія на відстані»?
Дослідник розповів, що факт про дивний зв’язок між віддаленими у просторі частинами однієї квантової системи, наприклад, двома променями світла, був відомий з часів знаменитої роботи Ейнштейна, Подольського та Розена, що з’явилася у 1935 році. Ейнштейн вважав цей зв’язок дивним і неприродним артефактом квантової теорії і навіть називав «жахливою дією на відстані».
На сьогодні реальність цього зв’язку вже ніхто не ставить під сумнів, його багато разів підтвердили експериментально і використовують у технологіях. «Значну роль у розумінні суті цього зв’язку (кореляцій) зіграли роботи фізика з Північної Ірландії Джона Белла, – пояснив Андрій Олександрович. – Беллу вдалося сформулювати певні співвідношення, які виглядають, як прості нерівності зі шкільної математики: щось, що ми вимірюємо під час експерименту, має бути меншим за якесь число. Якщо це правда, то жодної «жахливої дії на відстані» не існує. Якщо ж ці нерівності порушуються (а саме це вдалося багаторазово підтвердити), то незвичайний зв’язок існує».
Співвідношення вченого з Північної Ірландії отримали назву «нерівності Белла», а їхнє порушення називають «нелокальністю Белла». Більш загальне явище відоме широкому загалу як квантова заплутаність.
На жаль, великою проблемою експериментальних досліджень та відповідних технологій є те, що квантова заплутаність є дуже нестійкою щодо навколишнього середовища (наприклад, атмосфери), а її виявлення є надзвичайно чутливим до недоліків вимірювальних приладів, тому дослідники намагаються максимально ізолювати квантову систему, а всі детектори зробити близькими до ідеальних. Звісно, ця задача є технологічно надскладною.
Надзусилля – не завжди потрібні
Науковці, які виконують проєкт НФДУ, також досліджують цей зв’язок, але – альтернативними методами, які не вимагають експериментальних надзусиль, зокрема, за допомогою квантового світла. «Лауреат Нобелівської премії з фізики професор Рой Глаубер, а також професор Джордж Сударшан показали, що всі ефекти класичної оптики можна змоделювати, якщо певним чином «гратися» з лазерним випромінюванням. Якщо ж якісь ефекти отримати таким моделюванням не вдається, значить, ми маємо справу з квантовою оптикою, – пояснив Андрій Семенов, – а отже, так не можна змоделювати нелокальність Белла та квантову заплутаність».
Дослідники, які виконують проєкт, виявили, що ідеї Глаубера та Сударшана можна використати для створення більш загальних кореляцій, ніж квантова заплутаність. «Є підстави вважати, що такий зв’язок (кореляції) буде стійкішим і до впливу оточення, і до недоліків вимірювальних приладів, – наголосив пан Андрій. – Перед нами відкривається виняткова можливість комбінувати велику кількість варіантів кореляцій, та знаходити найкращий».
Під час виконання проєкту дослідники планують розв’язати три проблеми. По-перше, зрозуміти як виявити більш загальні зв’язки між різними світловими променями. Якщо це вдасться, міркуватимуть, як застосувати ці знання в технологіях. По-друге, вдосконалити теорію для квантових каналів в атмосфері й отримати для них більш реалістичну модель. По-третє, адаптувати теорію фотодетектування до найбільш перспективних детекторів.
За кошти грантового фінансування придбана робоча станція (потужний комп’ютер для чисельного моделювання). За словами вченого, вона працює в режимі 24/7. Це й не дивно, адже задачі науковці поставили дуже амбітні, і активно їх виконують.
Попередні результати – чудові
Що вже зроблено в проєкті? Чи вдається виконати заплановане?
На це запитання Андрій Семенов відповів, що справді, попередні результати – хороші. Частина статей уже перебуває на рецензуванні у наукових журналах, інші готуються до друку. «Наша команда з оптимізмом очікує їх публікації, але все ж хочу наголосити, що ці результати – не остаточні, – зауважив він. – Бувають ситуації, коли слушні зауваження рецензентів зміщують акценти чи інтерпретацію результатів».
Значним проривом дослідники вважають те, що їм вдалося чітко зв’язати між собою нелокальність Белла та слабші некласичні зв’язки (кореляції) в одній математичній конструкції. Також учені побудували теорію для одного з найбільш поширених типів фотолічильників – нанодротових фотодетекторів. «Ці детектори помічають навіть окремі фотони, але потім їм потрібен певний час для «відновлення». Нам вдалося це врахувати і тепер ці моделі можна застосовувати до наших нерівностей», – розповів дослідник.
А ще науковці розробили потужну комп’ютерну модель, яка описує розповсюдження квантового світла крізь турбулентну атмосферу. «Починаючи з 2012 року, коли я працював у Німеччині, колеги-експериментатори регулярно запитували мене про одну з задач, – часову когерентність в атмосферних каналах, – додав Андрій Семенов. – Тоді її вирішити не вдалося. І ось сьогодні, здається, ми маємо елегантний результат».
Сьогодні команда дослідників намагається зрозуміти, чи можна (і як) застосувати отримані результати в неуніверсальних квантових комп’ютерах. Ці обчислювальні прилади можуть вирішувати лише окремі типи задач, зате побудувати їх можна вже сьогодні, на основі наявних технологій.
У планах на наступний рік – зрозуміти, чи можна використати слабкі кореляції для поліпшення квантового захищеного зв’язку. «Маємо певні ідеї, які потрібно ретельно перевірити», – зазначив науковець.
Дослідники переконані, що результати їхньої роботи стануть у пригоді при розробці новітніх квантових технологій.
«Де у нього кнопка?!»
Утім, науковець досить скептично ставиться до можливості створити ці технології в нашій країні у найближчому майбутньому. На жаль, інвестиційних можливостей для цього наразі немає.
– На порозі другої квантової революції Україна опинилася практично без фахівців, які б розуміли, наприклад, як працює той чи інший квантовий прилад, – наголосив Андрій Олександрович. – Тобто у нас є проблема не лише з розробкою новітніх технологій, а й із тим, як грамотно їх використати. Якщо говорити образно, мало хто розумітиме, як ці прилади ввімкнути і як з ними працювати. Наукові групи, що працюють у цій царині, можна порахувати «на пальцях».
Фахівці для професій майбутнього
Однією з переваг проєкту Андрій Семенов вважає можливість підготувати висококласних професіоналів за фахом, який знадобиться вже в найближчі роки. Проєкт він називає студентським, адже крім двох молодих науковців у ньому беруть участь студенти магістратури фізичного факультету КНУ імені Тараса Шевченка. «Ці молоді люди виконують висококласну роботу, – наголосив він. – Це стало можливим саме завдяки грантовому фінансуванню».
Про свою команду керівник проєкту розповідає з гордістю: «Це й талановитий молодий науковець Вадим Ковтонюк, який за короткий час опанував найскладніші методи теоретичної квантової оптики та теорії квантової інформації й застосував їх до задач проєкту, – зазначив пан Андрій. – Саме йому належить ідея використати певні методи із теорії нерівностей Белла для дослідження більш загальних кореляцій між променями квантового світла. Чудово працює й Іван Єременко, який виконує найскладніші розрахунки. Рушійною силою в чисельному моделюванні квантових атмосферних каналів є Микита Юрін. За короткий строк він опанував дуже непростий метод, адаптував його до потреб квантової оптики турбулентної атмосфери, написав пакет програм та отримав хороші результати. Не менш складні задачі виконує й команда нашого субвиконавця – Інституту фізики НАНУ. Її лідер Віра Узунова виконала фантастичну роботу щодо теорії нанодротових детекторів. Із нею також працюють молоді й високомотивовані вчені Андрій Соколов та Роман Баськов».
Станьте для себе «найбільш злим рецензентом»
Традиційно ми запитали співрозмовника: «Що б він порадив колегам, які сьогодні подають заявки на конкурси НФДУ». Пан Андрій відповів, що радить найуважніше ознайомитися з умовами конкурсу, з’ясувати зі співробітниками Фонду всі незрозумілі питання, а також – заздалегідь узгодити з адміністрацією інституту чи університету фінансову частину проєкту.
– Важливо мати конкретні ідеї та чітко розписані шляхи їхнього втілення, – додав він. – Продумайте структуру, складіть таблиці, графіки, діаграми. Коли пишу проєкт, то перечитую його багато разів з позиції «найбільш прискіпливого рецензента», шукаю слабкі місця. Будьте вимогливими до себе, це значно підвищує шанси на перемогу!
НАЦІОНАЛЬНИЙ ФОНД ДОСЛІДЖЕНЬ УКРАЇНИ
Читайте також:
- МАСКА ДЛЯ СУПЕРГЕРОЯ, ЯКИЙ НЕ ХОЧЕ, ЩОБ ЙОГО ПІДСЛУХАЛИ. Як випускник КПІ став співвласником успішних проєктів ARTKB і Hushm. Газета “Світ”, № 39 – 40, жовтень, 2021 р.
- ПPО ЦИКЛІЧНІСТЬ ПОШИРЕННЯ COVID-19 ТА ВПЛИВ ВАКЦИНАЦІЇ НА ЇЇ ЗГАСАННЯ. Прогнозування динаміки розвитку нової, четвертої хвилі COVID-19 в Україні. Газета “Світ”, № 39 – 40, жовтень, 2021 р.
- Голова Наукового комітету Національної ради з питань розвитку науки і технологій Олексій КОЛЕЖУК: УКРАЇНІ ПОТРІБНА ПРОГРАМА «ВЕЛИКОГО НАУКОВОГО ПЕРЕОЗБРОЄННЯ». Газета “Світ”, № 39 – 40, жовтень, 2021 р.
- COVID-19. ПОКАЗНИКІВ ВЕСНЯНОЇ ХВИЛІ МОЖНА ОЧІКУВАТИ ВЖЕ ЗА ТИЖДЕНЬ. Інтерв’ю із заступником диpектоpа з наукової pоботи ІПММС членом-кореспондентом НАН України Ігорем БРОВЧЕНКОМ. Газета “Світ”, № 39 – 40, жовтень, 2021 р.
- ПРЕСТИЖНА АМЕРИКАНСЬКА ПРЕМІЯ З ФІЗИКИ – КОЛИШНЬОМУ КИЯНИНУ. Українські фізики тепло привітали свого колегу – відомого вченого фізика-теоретика Емануїла Рашбу (Гарвардський університет). Газета “Світ”, № 39 – 40, жовтень, 2021 р.
- ЗАСТРИБНУТИ ДО “НАУКОВОГО ПОТЯГА”:про підписання угоди про участь України в рамковій програмі з досліджень та інновацій «Горизонт Європа» в програмі з досліджень та навчання «Євратом». Газета “Світ”, № 37 – 38, жовтень, 2021 р.