Недавно физики из Университета наук и технологий в Китае, команду которых возглавлял профессор Сяо-Хуэй Бао (Xiao-Hui Bao), представили новую методику "стирания" информаций о свойствах частицы и продемонстрировали первую успешную запутанность двух "разноцветных" фотонов (по сути, частиц, отвечающих за свет с разной длиной волны). До сегодняшнего дня это считалось практически невозможным.
Особенность запутанных частиц заключается в том, что состояние каждой из них невозможно измерить отдельно от другой. Измерение состояния одной мгновенно провоцирует смену состояния частицы-партнёра на противоположное. А поскольку такие частицы могут быть разделены гигантским пространством и временем, никакой сигнал не может быть связывающим звоном между ними. Это и рождает парадокс.
Квантовая запутанность вдохновляет на создание новых информационных технологий, при которых скорость передачи данных была бы абсолютной. Но прежде чем создавать квантовые процессоры и датчики, необходимо научиться генерировать запутанность между большим числом квантовых систем, например, фотонов.
Одним из наиболее эффективных методов запутывания фотонов является использование частиц света из двух разных источников. Два фотона отправляются в светоделитель, где происходит двухфотонная интерференция: если наблюдатель, находящийся за светоделителем, не видит, по какому пути пошёл тот или иной фотон, то для него два вышедших фотона (два разных состояния) будут находиться в состоянии квантовой запутанности.
Для получения идеальной интерференции, участвующие фотоны должны быть неотличимы в тот момент, когда они выходят из системы и их параметры измеряют. При этом, как доказали Бао и его коллеги, при входе в светоделитель фотоны могут быть отличными, например, обладать разным цветом, поляризацией, пространственной модой и так далее. В таком случае интерференция также возможна, нужно только чтобы детектор был нечувствителен ко всем этим свойствам частиц или чтобы эта информация каким-то образом "стиралась" прямо перед измерением.
Достижение китайских физиков фактически заключается в изобретении хорошего способа "стирания" информации о различии частот фотонов. Именно по этой причине две "разноцветных" частицы удалось успешно запутать.
Суть эксперимента заключалась в следующем: два фотона с определённой (одинаковой) поляризацией и разными частотами посылаются в поляризационный светоделитель. В случае если фотоны были бы идентичны, они на выходе были бы спутанными. Но в эксперименте Бао участвовали частицы, которые можно различить по цвету.
Светоделитель в таком случае не будет выводить идеально запутанные частицы, вместо этого они будут находиться в так называемом "гипозапутанном" состоянии, при котором поляризация и цвет неразрывно связаны друг с другом. Если кто-то попытается измерить отдельно либо одну, либо другую характеристику в отдельности, то по оставшемуся свойству частицы перестанут быть запутанными. Хитрость новой методики состоит в том, что "стирая" информацию о цвете, учёные оставляют запутанность частиц в поляризации (и наоборот).
Добиться такого эффекта удалось, проводя постоянные измерения времени в высоком разрешении на выходах из светоделителя, откуда вылетают фотоны. Время тесно связано с частотой, а информация о частоте может быть интерпретирована таким же образом, что и информация о времени. Если учёный усреднит информацию о том, в какой момент два фотона выйдут из светоделителя, то и информация об их частоте окажется усреднённой, и детектор окажется "обманут".
На картинке ниже создаются две пары (А-а и B-b) поляризационно запутанных фотонов "разных цветов" (частоты каждой отличаются на 40 или 80 МГц). После входа фотонов a и b в светоделитель появляется гипозапутанность по частоте и поляризованности. Затем детекторами фотонов стирается информация о частоте. Время выхода t1 и t2 используется для модификации фазы A и передачи поляризационной запутанности паре A и B с высокой точностью.
Статья с описанием эксперимента вышла в журнале Physical Review Letters.
Своим исследованием китайские учёные решают проблему квантовых сетей будущего: результаты работы являются разрешением проблемы частотной расстройки, возникающей при взаимосвязи разнородных квантовых систем в квантовых сетях.
Бао также отмечает в пресс-релизе, что его разработка может иметь применение в слепых квантовых вычислениях, при которых ввод, вычисление и вывод информации должны оставаться неизвестными компьютеру. При таких обстоятельствах также часто возникает проблема частотной расстройки.
И наконец, наиболее очевидное применение технологии в квантовых телекоммуникациях будущего заключается в создании связей между различными каналами в WDM.
Также по теме:
Ученые Германии и России поймали 100 тысяч запутанных фотонов
Квантовое состояние при комнатной температуре удержали 39 минут
Физики впервые получили квантовую спутанность двух алмазов при комнатной температуре
Феномен квантовой запутанности доказал иллюзорность времени
Физики создали квантовую связь между фотонами, разделёнными временем и пространством
Теоретики рассказали, как телепортировать энергию на большие расстояния
