Запутанные кванты и клик-реакции: за что дали Нобелевки по естественным наукам

Премию по физике в этом году присудили за эксперименты с запутанными фотонами, по химии — ​за развитие клик-химии и биоортогональной химии. Очень интересно, но ничего не понятно. Разбираемся вместе со специалистами опорных вузов «Росатома», что открыли лауреаты и почему это важно.

От неравенства к телепорту

Лауреатами Нобелевской премии по физике объявлены француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Цайлингер. В формулировке Нобелевского комитета — ​«за эксперименты с запутанными фотонами, которые продемонстрировали нарушение неравенств Белла и дали начало квантовой информатике».

История исследований в области квантовой запутанности уходит корнями в 1930‑е годы. «В 1935 году три автора, Эйнштейн, Подольский и Розен, опубликовали работу, в которой сформулировали парадокс: в квантовой механике есть состояния, находящиеся в противоречии с тем, что возможно с точки зрения классической физики, — ​рассказывает профессор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ «МИФИ» Валерий Яковлев. — ​Позже Эрвин Шредингер назвал их «перепутанными состояниями». Состояние одной подсистемы зависит от того, в каком состоянии находится другая подсистема. Их состояния скоррелированы. Производя измерение состояния одной подсистемы, мы предсказываем состояние другой».

Исследования Аспе, Клаузера и Цайлингера позволили значительно продвинуться в понимании квантовой запутанности. Долгое время физики сомневались: не обусловлено ли это явление тем, что частицы в паре содержат скрытые параметры, которые влияют на результаты экспериментов? В 1960‑е физик-теоретик Джон Стюарт Белл разработал математические неравенства, позволяющие проверить, есть ли в квантовой системе такие скрытые параметры. Если неравенства выполняются, значит, есть.

Аспе и Клаузер в своих экспериментах со спутанными фотонами смогли добиться нарушения неравенств, что подтвердило отсутствие скрытых параметров. Цайлингер же провел успешный эксперимент по квантовой телепортации. Это передача квантового состояния на расстояние — ​состояние разрушается в точке отправления и воссоздается в точке приема. И это уже шаг к использованию квантовой запутанности в прикладных целях.

«Благодаря эффектам перепутанных состояний квантовые компьютеры в некоторых видах вычислений могут быть на многие порядки более быстродействующими, чем обычные, — ​объясняет Валерий Яковлев. — ​Например, поиск простых делителей (факторизация) для больших чисел — ​скажем, из 147 десятичных знаков. В свое время такая задача потребовала года работы множества вычислительных станций по всему миру. А поиск делителей для числа из 250 и более десятичных знаков на классическом компьютере потребует времени вычисления, превосходящего возраст Вселенной. На квантовом подобная задача может быть решена за 8–10 часов. Суть в том, что мы берем один элемент, находящийся в состоянии квантовой запутанности с другими, и он влияет сразу и на все другие, любое множество. За счет этого мы проводим одновременно множество элементарных операций».

Исследования, за которые Аспе, Клаузер и Цайлингер удостоились премии, развиваются и в России. «МИСиС применяет многие принципы, которые были предложены нобелиатами, например — ​принцип приготовления квантовых состояний света, которые используются в коммуникации, — ​рассказывает руководитель лаборатории теории квантовых коммуникаций МИСиСа Алексей Федоров. — ​Квантовая коммуникация в России серьезно развита. Некоторые компании уже производят для нее технологическое оборудование. В этой сфере наша страна на мировом уровне».

Реакции по щелчку

Нобелевскую премию по химии разделили американцы Каролин Бертоцци, Барри Шарплесс и датчанин Мортен Мелдал. Им присудили награду «за разработку клик-химии и биоортогональной химии». Ученые придумали, как легко и прочно соединять органические молекулы — ​например, для создания лекарств или новых материалов.

Органический синтез, то есть получение новых химических соединений на основе углерода, — ​по сути, подражание самой природе. До клик-революции ученые пытались сращивать углеродные каркасы реагирующих молекул. В клетках живых организмов так происходят биохимические реакции, но повторить их искусственно трудно. В лаборатории это чаще всего многостадийные реакции с образованием большого количества побочных продуктов. Процесс сложный, дорогой, малоэффективный — ​для промышленности совсем не годится.

В начале 2000‑х Барри Шарплесс провозгласил новый подход, который назвал клик-химией (от англ. click — ​«щелчок»). «Этот термин скорее концептуальное понятие, — ​говорит Роман Якушин, декан факультета химико-­фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов, доцент кафедры органической химии РХТУ им. Менделеева. — ​Обязательный критерий клик-реакции — ​простота исполнения».

Шарплесс подсказал, как этой простоты достичь. Он предположил, что не нужно спаивать каркасы, чтобы получить из двух простых молекул одну сложную, — ​достаточно соединить их мостиками из атомов азота или кислорода. И вскоре подтвердил гипотезу на практике. В 2002 году Шарплесс и Мелдал независимо друг от друга открыли реакцию, названную в пресс-релизе Нобелевского комитета жемчужиной клик-химии, — ​катализ меди в реакции азид-алкинового циклоприсоединения. Эта «элегантная и эффективная химическая реакция» широко используется при разработке лекарств и изучении ДНК.

Каролин Бертоцци подняла клик-химию на новый уровень. Она придумала, как проводить клик-реакции внутри живых организмов, не нарушая химический состав клетки и не мешая естественным биохимическим процессам. «Это и есть биоортогональная химия. Биоортогональность — ​независимость протекания целевых реакций от биологических условий», — ​поясняет Роман Якушин. Метод открыл дорогу применению клик-реакций для изучения клеток и наблюдения за биологическими процессами. С помощью биоортогональной клик-химии ученые создали инновационные противораковые препараты, сейчас они проходят клинические испытания.

В России клик-химией занимается прежде всего Институт органической химии им. Зелинского РАН. Там открыли одну из клик-реакций — ​боронат-триольную конденсацию. Особенность ее в том, что она обратима. Так можно, например, очищать воду от тяжелых металлов. Вводим молекулу из полимера и сорбента в загрязненную жидкость, вынимаем, с помощью обратной клик-реакции сорбент с грязью отделяем, а полимер используем повторно.

«На кафедре химии и технологии органического синтеза РХТУ работают над получением биологически активных веществ, в частности путем использования реакций, относящихся к клик-химии, — ​рассказывает Роман Якушин. — ​В том числе получают фунгициды — ​средства защиты растений от грибковых болезней. Триазолы относят к группе фунгицидов, синтезируемых на основе клик-реакций циклоприсоединения азидов к алкинам».

ДВУКРАТНЫЙ НОБЕЛИАТ

Барри Шарплесс стал лауреатом Нобелевской премии по химии во второй раз. В 2001 году Уильяма Ноулза и Редзи Ноери отметили за работу по хирально катализируемым реакциям гидрирования, а Барри Шарплесса — ​за работу по хирально катализируемым реакциям окисления. Всего в истории семь неоднократных лауреатов Нобелевской премии: пять человек и две организации.

КОГО БЫ НАГРАДИЛИ ВЫ?

Роман Курунов
Заместитель научного руководителя НИИЭФА

— Я бы присудил премию Юрию Николаевичу Денисюку (1927–2006) — ​советскому физику, действительному члену РАН, одному из основоположников оптической голографии. Разработанная им технология, известная также как схема записи Денисюка, позволяет осуществлять запись голограммы во всем объеме толстой фотоэмульсии голографической пластины. Получаются высококачественные изображения объектов, монохромные и цветные, при освещении голограмм некогерентным белым светом.

Юрий Денисюк установил фундаментальное свойство трехмерной голограммы — ​способность к записи и воспроизведению четырехмерных пространственно-временных характеристик волновых полей, придав тем самым голографии новый смысл и завершенную форму. Фундаментальные идеи Денисюка создали основу таких научных направлений, как динамическая голография, системы голографической памяти и голографических процессоров для распознавания образов, защитная голография, системы технического зрения и многие другие.

Дмитрий Ягнятинский
Научный сотрудник отделения «Оптические и информационные технологии», НИИ НПО «Луч»

— Сергея Королева — ​за фундаментальные научно-технические работы по освоению космоса. Леонида Мандельштама — ​за открытие комбинационного рассеяния света.

Виталий Узиков
Ведущий инженер-технолог реакторного исследовательского комплекса, НИИАР

— Достойный кандидат на Нобелевскую премию — ​Майкл Страно, профессор химического машиностроения Массачусетского технологического института. Группа ученых под его руководством создала двумерный полимер 2DPA‑1 — ​материал прочнее стали, а по весу — ​как пластик. Его можно легко производить в больших количествах и использовать в качестве покрытия для автомобильных деталей или сотовых телефонов, строительного материала для мостов и других конструкций.

Группа Страно придумала процесс полимеризации, который позволяет создавать двумерный лист, называемый полиарамидом. В качестве мономерных строительных блоков используют соединение под названием меламин. При правильных условиях эти мономеры могут расти в двух измерениях, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, слои скрепляются водородными связями, что делает структуру очень стабильной и прочной. Модуль упругости нового материала — ​показатель силы, необходимой для деформации, — ​в четыре — шесть раз выше, чем у пуленепробиваемого стекла, а предел текучести, или сила, необходимая для разрушения материала, — ​в два раза выше, чем у стали.

Еще одна ключевая особенность полиарамида — ​газонепроницаемость. Другие полимеры состоят из скрученных цепочек с промежутками, через которые просачиваются газы, новый материал — ​из мономеров, которые соединяются, как детали лего, и молекулы не могут проникнуть между ними.