Китайские ученые из университета науки и технологий города Хэфэй (Hefei) смогли запутать сразу восемь фотонов, что является большим шагом в деле развития экспериментальной квантовой физики и квантовых компьютеров.

Квантовым запутыванием называют взаимосвязанность квантовых состояний двух или более объектов, при котором изменение состояния одного объекта мгновенно отражается на состоянии другого (или других). С точки зрения физики, поведение запутанных объектов описывается одной волновой функцией. Эксперименты по сцеплению частиц (фотонов, электронов и атомов) начались в конце 20 века, однако до сих пор ученым удавалось запутывать только шесть и менее фотонов.

Запутывание рассматривается в качестве основы для будущих квантовых компьютеров. Такие компьютеры отличаются от обычных тем, что его ячейки информации могут находиться в нескольких состояниях, кодируя логические «0» и «1» одновременно, что открывает возможности для сверхвысокой параллелизации вычислений.

Физики, которые занимаются проблемами квантовой механики, постоянно сталкиваются с двумя проблемами – невысокая частота образования групп запутанных фотонов и помехи, которые неизбежно возникают при понижении мощности луча лазера.

Еще более редким явлением является состояние «кота Шрёдингера», которое в квантовых вычислениях обозначает особое запутанное состояние ячеек информации, при котором они все содержат либо нули, либо единицы.

Кот Шрёдингера является «участником» мысленного эксперимента, который был предложен немецким физиком Эрвином Шрёдингером, в ходе которого в закрытый ящик помещаются кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного ядра (которое может случиться или не случиться). В соответствии с принципами квантовой физики кот является одновременно и живым, и мертвым. Отсюда и берет свое начало термин «квантовая запутанность».

Исследователи под руководством Синь-Цан Яо (Xing-Can Yao) из университета науки и технологий города Хэфэй использовали сверхмощный ультрафиолетовый лазер и разработали экспериментальную установку, которая позволила обойти проблему помех при помощи нескольких поляризующих расщепителей луча и особо сконструированных интерферометров, которые значительно уменьшали вероятность внесения помех при измерениях. Восемь запутанных фотонов формировались в результате одновременного соединения четырех пар запутанных фотонов.

«Запутывание восьми фотонов является шагом вперед в развитии квантовой оптики и экспериментальных квантовых вычислений. В отличие от предыдущих опытов с шестью запутанными фотонами, наша экспериментальная модель может быть непосредственно использована в реализации схемы „топологической коррекции ошибок“, в изучении физики твердых тел, квантовой химии и даже в биофизике», — пишут ученые в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.

Результаты эксперимента показали, что установка позволяла фиксировать появление восьмифотонных «котов Шрёдингера» и манипулировать ими с вероятностью в 70,8% (для подтверждения эффективности устройства достаточно наблюдать появление групп сцепленных фотонов в 50% случаев).