ГИКиТ стал правообладателем патента в научном творческом проекте

Кафедра аудиовизуальных систем и технологий факультета медиатехнологий ГИКиТ занимается фундаментальными и прикладными научными исследованиями в области физики, радиоэлектроники, акустики и звукотехники, информационных систем и технологий.

Заведующий кафедрой аудиовизуальных систем и технологий профессор Ходанович Александр Иванович является автором программы для ЭВМ: Графическая визуализация квантовой запутанности в поляризационной оптике. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2024619001 от 18.04.2024. Правообладатель: ФГБОУ ВО СПбГИКиТ.

Новизна, теоретическая и практическая значимость работы

Впервые в методологии математического и компьютерного моделирования представлены результаты по формализации и графической визуализации квантовой запутанности фотонов в поляризационной оптике, а также компьютерные эксперименты в концептуальных аспектах квантовой теории. Приводятся графические иллюстрации симметрии в квантовых корреляциях запутанных фотонов с нарушением фундаментального неравенства Белла.

В работе использовались методы Монте-Карло и современные системы символьной математики Maple для программирования, визуализации статистических решений и построения линии тренда. Разработаны алгоритмы и комплекс программ графической визуализации квантовой запутанности фотонов с иллюстрацией нарушения неравенства Белла.

Предложена методика вычислительного эксперимента, а также алгоритм обработки численных данных с использованием методов нелинейного программирования. Программу для ЭВМ целесообразно использовать в дальнейших научных исследованиях по квантовой и оптической электронике, технической поляризационной оптике, а также в образовательном процессе при изучении дисциплин «Физика», «Концепции современного естествознания», «Математическое и компьютерное моделирование в научно-исследовательской работе», «Методы математической физики» по профильным направлениям подготовки.

История квантовой теории и технологий в научном творческом проекте (www.gikit.ru)

 Соотношения или неравенства Белла, были написаны физиком-теоретиком Дж. Беллом в работе 1964 года, посвящённой анализу знаменитого парадокса Эйнштейна, Подольского, Розена (ЭПР -парадокса) 1935 года, который должен был окончательно убедить всех в неполноте квантовой теории. Неравенства Белла выведены в предположениях классической физики. Было показано, что если квантовая теория справедлива, то эти неравенства могут нарушаться (теорема Белла).

Джон Стюарт Белл (1928-1990, Северная Ирландия), доктор философии по физике (1956). Член Лондонского королевского общества (1972). Почётный член Американской академии искусств и наук (1987). Медаль Дирака от Института физики (1988). Медаль Хьюза (1989). Премия Хайнемана (1989). В 2009 году Центр квантовой информации и квантового контроля (англ. Centre for Quantum Information  Quantum Control) Университета Торонто учредил премию Джона Стюарта Белла.

После этого началась экспериментальная проверка квантовой теории запутанных явлений. Считается, что наиболее убедительным был эксперимент Алена Аспекта, проведённый в 1982 году в лаборатории под Парижем (Нобелевская премия по физике 2022 г.).

В физическом эксперименте неравенства Белла нарушались, т.е. классический детерминизм в неравенствах Белла оказывается неприменимый с точки зрения квантовой теории.  Неравенство Белла интересно не столько само по себе в его математическом формализме, сколько своим происхождением и глубиной вопросов, для решения которых оно было придумано и использовано.

Квантовая запутанность есть явление («жуткое», по словам Эйнштейна), подразумевающее незримую связь между состояниями двух частиц. Изменение квантового состояния одной частицы неминуемо приведёт к мгновенному изменению состояния другой связанной с ней частицы.  

В статье "The speed of quantum information and the preferred frame: analysis of experimental data и Experimental test of nonlocal quantum correlation in relativistic configurations", опубликованной в 2000-2001 годах, ученые используют простую логику детектирования. Расположив две запутанные квантовые частицы в специальных устройствах, они проводят одновременные измерения квантовых состояний этих частиц. Детектирование проводится одним и тем же световым пучком, который разделяется на два контура. Изменение состояния одной частицы мгновенно (или, как минимум, быстрее скорости света), вызывает изменение состояния и другой частицы. Через несколько лет подобный эксперимент был проведен снова, и методика была усовершенствована увеличением времени измерений. 

В 2015 году журнал Nature опубликовал статью научного коллектива, который фактически ещё раз доказал существование квантовой запутанности на практике. Причём, чуть ли не впервые было обозначено, что запутанность может существовать на любом расстоянии, даже измеряемом световыми годами. Эксперимент продолжался несколько дней. Исследователи облучали одинаковым потоком энергии два алмаза, расположенные на расстоянии 1,3 км друг от друга, что заставляло алмазы испускать фотоны. Фотоны взаимодействовали друг с другом посредством оптического кабеля. В результате испустившие их электроны в алмазах запутывались, а их квантовая функция стала одинаковой.

Есть и практические применения эффекта квантовой запутанности. Так, в 2019 году было заявлено, что сотрудники МФТИ смогли реализовать работающий прототип квантового компьютера. Именно квантовая запутанность там является движущей силой для кубитов.  Например, в статье в журнале Nature описывается методика работы квантового процессора и приведены результаты реальных экспериментов.

В 2023 г. состоялся межвузовский научный творческий проект «НАУЧНЫЙ ДИАЛОГ С НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ ПО ФИЗИКЕ» совместно с кафедрой информационных управляющих систем СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (рук. проф. А.И. Ходанович, ГИКиТ).  Научный проект посвящен компьютерному моделированию квантовой запутанности фотонов с графической визуализацией нарушений неравенства Белла в поляризационной оптике.

Апробация научных результатов

• Ходанович А.И. Компьютерный эксперимент с запутанными фотонами в квантовой теории. Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании. XII Международная научно-техническая и научно-методическая конференция АПИНО-2023; сб. науч. ст. в 4 т. / Под. ред. С. И. Макаренко; сост. В. С. Елагин, Е. А. Аникевич. СПб.: СПбГУТ, 2023. Т. 2.- С 630-634. (в соавт.) URL:https://apino.spbgut.ru/docs
• Ходанович А.И. Научный диалог с нобелевскими лауреатами в творческом образовательном проекте. Международный научно-практический форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Неделя науки и творчества – 2023», 13.04.2023, СПбГИКиТ.
• Ходанович А.И. Графическая визуализация квантовой запутанности в поляризационной оптике. Патент. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2024619001 от 18.04.2024. Правообладатель: ФГБОУ ВО СПбГИКиТ.

Кафедра аудиовизуальных систем и технологий