Квантовая запутанность — один из центральных принципов квантовой физики. Если коротко, то так называемый ЭПР-парадокс (парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена) гласит, что при наличии двух частиц, имеющих общее происхождение (связанные частицы), любое воздействие на одну из них отразится на другой в тот же самый момент вне зависимости от разделяющего их расстояния. Или более строго: можно измерить состояние одной частицы и по нему предсказать состояние другой, над которой измерение ещё не производилось.

Видимо, посчитав описанный выше ЭПР-парадокс недостаточно сложным для осознания, учёные из Калгарийского университета и Института квантовых компьютерных вычислений (оба — Канада) экспериментально продемонстрировали квантовое запутывание трёх частиц.

Вероятно, они полагают, что подобные «свойства» могут оказаться важнейшей составляющей коммуникационных сетей будущего, работающих на принципах квантовой механики, а также позволяют ещё раз испытать фундаментальные основы квантовой теории. Словом, в рассматриваемой работе удалось продемонстрировать возможность создания, контроля и запутывания квантовых состояний трёх фотонов.

Рис. 1. Фрагмент экспериментальной установки, которая включает в себя лазер с накачкой (404 нм) и конверсионный кристалл, дающий ортогонально поляризованные фотоны с длиной волны 842 и 776 нм. (Илл. Institute for Quantum Computing in Waterloo).

Исследование расширяет теоретические идеи Эйнштейна — Подольского семидесятисемилетней давности. В 1935 году Борис Яковлевич Подольский (основной автор), Альберт Эйнштейн (наше физическое всё) и его ассистент Натан Розен опубликовали статью, в которой изложили ЭПР-парадокс, чтобы показать неполноту квантовой теории.

Используя две «связанные» частицы, авторы ЭПР-парадокса попытались продемонстрировать необходимость существования «скрытых» параметров, которых теория квантовой механики не учитывает (не знает). Наличие таких параметров позволило бы отказаться от статистического (вероятностного) подхода к описанию квантовых явлений и перейти к удобоваримому детерминированному подходу, знакомому нам по курсу классической механики.

Позже усилиями Джона Белла, Джона Клаузера и Алана Аспе локальному детерминизму Эйнштейна — Подольского был нанесён сокрушительный удар. Эксперименты и проверки деталей идут до сих пор, и приверженцы теории скрытых параметров указывают на всё новые нюансы и возможности для построения «полной квантовомеханической теории». Но пока ясно только то, что самые простые виды теории со скрытыми (локальными) параметрами не соответствуют действительности.

Тем не менее сам по себе принцип «запутывания квантовых состояний» (термин введён Шрёдингером), впервые сформулированный Эйнштейном, Подольским и Розеном в качестве критики квантовой теории, сегодня является источником большинства так называемых квантовых технологий, таких как квантовые вычисления, квантовая криптография и точные квантовые измерения.

Следующим шагом учёные полагают попытку совмещения координатного и импульсного запутывания между их тремя фотонами с более традиционными типами «квантового сцепления» на основе углового момента. Это позволило бы создать гибридные квантовые системы, которые объединили бы в себе многие уникальные свойства света.

А пока вы можете познакомиться с подробностями уже проведённого исследования в журнале Nature Physics.