Мир вокруг нас работает по законам естественных наук с самого своего возникновения. Любое, практически, явление мы можем объяснить, опираясь на те самые законы. И вот мы уже знаем, что молнии это не ярость Зевса, цунами это не чих Нептуна, Земля не плоская, а огромных черепах, держащих на себе целые миры, не существует. Правда в последние утверждения еще верят некоторые особенно упрямые представители нашей расы. Но сегодня мы поговорим о науке, которая любит перевернуть все с ног на голову, о квантовой механике.

Если точнее, то об исследовании, которое экспериментальным путем демонстрирует факт того, что далеко не всегда мы имеем одно единственное состояние чего-либо. Применив знания из квантовой механики, ученым удалось добиться неопределенного причинного порядка в квантовом переключателе. Что это такое и как это работает мы узнаем из их доклада. Поехали.

Основа исследования

Причинно-следственная связь — весьма знакомое и понятное всем явление. Мы знаем, что определенное действие приводит к определенному результату, как правило. Конечно, порой могут быть разные пути развития событий, но выбирается всегда один. Так, к примеру, мы можем посадить семечко в горшке, и цветок вырастет или не вырастет. Он не может сделать и то, и другое. Стоит вспомнить прекрасный теоретический эксперимент «кот Шредингера».

Дабы не растягивать повествование, описание сего эксперимента спрятано под спойлером:

Данный теоретический эксперимент был описан самим Шрёдингером довольно подробно и сложно, в какой-то степени. Упрощенный вариант звучит так:

Есть стальная коробка. В коробке кот и механизм. Механизм — счетчик Гейгера с очень малым количеством радиоактивного вещества. Данное вещество так мало, что за 1 час может распасться 1 атом (а может и не распасться). Если это происходит, то считывающая трубка счетчика разряжается и срабатывает реле, освобождающее молоток, который висит над колбой с ядом. Колба разбивается, и яд убивает кота. Теперь пояснение. Мы не видим, что происходит в коробке, мы не можем повлиять на процесс, даже своими наблюдениями. Пока мы не откроем коробку, мы не знаем жив кот или мертв. Таким образом, утрируя, можно сказать, что для нас кот в коробке находится в двух состояниях одновременно: он и жив, и мертв.

Очень интересный эксперимент, раздвигающий границы квантовой физики.

Еще более необычным можно считать парадокс Вигнера. К всем вышеуказанным переменным эксперимента добавляются некие друзья лаборанта, что проводит данный эксперимент. Когда он открывает коробку и узнает точное состояние кота, его товарищ, находясь в другом месте, этого состояния не знает. Первый должен сообщить второму, что кот жив или мертв. Таким образом, пока все во Вселенной не будут знать точного состояния бедного животного, оно будет считаться и мертвым, и живым одновременно.

Для изучения неопределенного причинного порядка используется фреймворк, который определяет относится ли какая-либо экспериментальная ситуация (далее процесс) к фиксированному причинному процессу или нет. Примером процесса из неопределенного причинного порядка является квантовый переключатель, в котором операции типа *«черный ящик»** выполняются в целевой системе, в то время как сам переключатель когерентно контролируется управляющей квантовой системой.

**Черный ящик*** — в данном случае это обозначение операций, которые пока неизвестны.

По словам ученых, главным преимуществом квантового переключателя является тот факт, что он не может быть реализован с использованием обычной квантовой схемы, в которой используется такое же количество операций «черный ящик».

А теперь вопрос, который сразу возник в головах ученых, — можно ли в лабораторных условиях реализовать этот квантовый переключатель? Дело в том, что на данный момент реализация подобной технологии не использует преимущество квантового переключателя, поскольку используются дополнительные «черные ящики». В такой реализации порядок контролируется тем, какой путь выбирают фотоны, в то время как каждый «черный ящик» (в данном случае это волновые пластины) действует в зависимости от их поляризации. То есть фотоны проходят через волновые пластины в двух разных точках пространства в зависимости от порядка. Кроме этого есть еще один минус (точнее ограничение) — длина когерентности фотонов в такой реализации значительно короче, чем расстояние между двумя волновыми пластинами. Это значит, что операции также могут отличаться и во времени, поскольку некоторые из них могут исполняться быстрее за счет управления волновыми пластинами.

Ученые прекрасно понимают, что вышеописанная реализация сопряжена с множеством ограничений. Именно по этому они и сконцентрировали свое внимание на квантовом переключателе, который может эти ограничения преодолеть.

Изображение №1: квантовый переключатель.

На изображении №1 представлены схемы работы квантового переключателя, где контролирующий кубит ответственен за определенный порядок, в котором исполняются две квантовые операции A и B, направленные на целевой кубит |ψ⟩t.

1а — когда контролирующий кубит находится в состоянии |0⟩с, то в результате мы имеем операцию вида АВ; 1b — когда контролирующий кубит находится в состоянии |1⟩с, то результатом является операция ВА; 1с — если же контролирующий кубит находится в состоянии квантовой суперпозиции 1/√2(|0⟩+|1⟩)

с, порядок операций также переходит в квантовую суперпозицию. В результате общее состояние контролирующей и целевой системы на выходе получается следующее:

1d — целевой кубит |ψ⟩t закодирован в степени свободы поляризации, тогда как |0⟩ и |1⟩ являются разными путями фотонов через волновые пластины. Эти пути реализуют операции А и В. Поскольку фотоны проходят через волновые пластины в двух разных точках, мы получаем 4 разные операции: A1, A2 и B1, B2.

Стоит отметить, что в реализации квантового переключателя ученые использовали только 2 операции типа «черный ящик», каждая из которых использовалась лишь раз. В экспериментальной системе контролирующий кубит закодирован в поляризации, а целевой кубит — в поперечной пространственной моде фотона.

Исследователи говорят, что их интерес к квантовому переключателю берет свое начало из желания реализовать причинное упорядочивание квантового типа, что ранее еще никто не делал.

Учитывая это, в данном исследовании причинные связи определяются как возможность передачи сигналов между событиями. Под событиями подразумеваются операции изменения, подготовки или преобразования физической системы. Как пример ученые приводят фотон, проходящий через несколько линз. Этот фотон определяет событие.

Причинная структура является сетью возможных причинных связей между несколькими событиями.

С «местной» терминологией разобрались, теперь по поводу процесса. Для начала рассмотрим релятивистскую причинно-следственную систему. Если событие А находится в прошлом в отношении события В, то мы можем отправить сигнал от А до В. Если же события пространственно разделены (далеко друг друга в пространстве), то никакого обмена сигналами быть не может.

Тут стоит уточнить что такое «пространственное разделение», дополнив это понятие другими, связанными с ним. Представьте два отдельных события: А и В. Если вы будете достаточно быстрыми, то сможете увидеть и А, и В. Это временное разделение. Если же события настолько далеки друг от друга, то дабы увидеть оба вы должны двигаться со скоростью света, это световое разделение. Если же события А и В еще дальше друг от друга, когда вы не можете увидеть оба даже двигаясь со скоростью света, то это пространственное разделение. Это немного грубое разъяснение.

Как мы уже увидели на схемах выше, есть две операции А и В. На самом деле их три, есть еще операция С. Подробнее о каждой из них. А и В являются операциями над целевой системой, реализованными вдоль двух плеч интерферометра. А вот С это уже измерения контролирующей системы, которые производятся после того, как оба события А и В состоятся. Все эти три события должны быть распознаны квантовым переключателем.

Схема эксперимента.

А теперь рассмотрим схему, по которой проводился эксперимента. Как мы уже знаем, контролирующий кубит определяется поляризацией, посему есть два поляризационных разделителя луча — PBS1 и PBS2. PBS1 направляет фотон к событию А или В, которые реализуют соответствующие операции А и В на пространственной моде фотона. Событие С представлено измерением поляризации, описывающим *параметры Стокса** фотона. Для обеспечения соответствия мод использовались линзы (L1 и L2 на схеме).

Параметры Стокса * — совокупность величин, описывающих вектор поляризации электромагнитных волн.

В качестве источника излучения использовался 100 кГц лазерный луч с длиной волны 795 нм с поперечной модой низкого порядка (HG00). Далее лазерный луч преобразовывался в HG10 эрмитово-гауссовскую моду путем пропускания луча через элемент, добавляющий π-фазу в половину луча. В результате получилась пространственная мода являющаяся суперпозицией эрмитово-гауссовых мод. Далее для удаления большинства пространственных мод высокого порядка использовалась фильтрация Фурье. Таким образом кубитовое пространство целевой системы состоит из пространственных мод первого порядка (|0⟩ = |HG10⟩; |1⟩ = |HG01⟩). А первоначальное значение целевого кубита |ψ⟩t равно |0⟩.

Итак, проходя через поляризационный разделитель PBS1, луч разделяется на два плеча интерферометра (схема выше). Тут две унитарные операции А и В действуют в поперечной пространственной моде, хотя в идеальных условиях не должны изменять поляризацию луча. Верхнее и нижнее плечо соединяются на выходном разделителе PBS2. Полученная мода отправляется обратно к PBS1. Линзы обеспечивают соответствие мод, то есть мода, повторно вошедшая в интерферометр, должна совпадать с исходной модой.

Схема реализации операций А и В.

Призмы (R) вращают входящую поперечную моду. В свое время цилиндрические линзы (С) приводят к π/2 фазовому сдвигу эрмитово-гауссовых компонентов входящего фотона. Сферические линзы (L) необходимы для достижения соответствия мод. Отражения в призмах могут приводить к искажению поляризации. Дабы компенсировать эти изменения используются волновая полу-пластина (H) и волновая четверть-пластина (Q). А φ — фазовая пластина. Для реализации необходимых операций нужно корректировать угол наклона θ1 и θ2. К примеру для преобразования HG10 луча в HG01 луч необходимо R(θ1) повернуть на 45 градусов, а угол R(θ2) установить на 0. В проведенном эксперименте ученые выделили два основных источника возможных ошибок: несоответствие мод и некорректная установка углов наклона.

В качестве основного показателя работоспособности системы выступил так называемый «причинный свидетель» — параметр, демонстрирующий способность событий А и В соответствовать унитарным операциям А и В. Также для определения этого параметра учитывались и параметры Стокса. Теоретическое моделирование системы, предшествующее практической реализации, показало, что ⟨S⟩ в идеальных условиях будет примерно равен — 0.248. Если же моделировать систему, учитывая ее реальные параметры, то –0.20 ≲ ⟨S⟩ ≲ –0.14.

Практический эксперимент показал хороший результат: ⟨S⟩ = –0.171 ± 0.009, который вписывается в ожидаемый диапазон. Таким образом ученые сделали вывод, что их система работает в неопределенном причинном порядке. Фундаментом сего достижения исследователи называют поляризацию, а точнее манипуляции с ней, что и позволило реализовать систему подобным образом.

Для ознакомления с деталями эксперимента настоятельно рекомендую доклад ученых, доступный по ссылке.

Эпилог

Данное исследование коснулось лишь поверхности некоторых аспектов такой сложной и запутанной науки как квантовая механика. Однако продолжая работать в данном направлении, как говорят ученые, они смогут достичь еще более внушительных результатов, которые могут изменить не только технологии вычислений, передачи данных и прочее, но и наше видение мира, как совокупности законов естественных наук, которые могут потерять свой статус «нерушимых».