Исследователи разработали новый метод, позволяющий генерировать квантовую запутанность — необъяснимую связь двух квантовых частиц.

Недавно мы писали о том, как квантовая запутанность может означать, что будущее способно влиять на прошлое. Теперь же группа нидерландских ученых смогла намеренно создать ее. О том, что это значит для науки и мира в целом, — читайте далее.

Физики из QuTech в Делфтском технологическом университете в Нидерландах смогли успешно воспроизвести квантовые запутанности быстрее, чем те успели пропасть. Новый метод позволяет создавать их крайне удачно: самый лучший результат составил 40 квантовых запутанностей на расстоянии более двух метров в течение одной секунды.

В докладе, опубликованном в журнале Nature, команда под руководством научного директора QuTech Рональда Хансона описывает, как их новое достижение потенциально в будущем может широко применяться, в том числе в сфере интернета, который невозможно взломать, так как он будет защищен квантовым шифром.

Квантовая запутанность — одна из самых необъяснимых и сложных вещей, известных физике. Альберт Эйнштейн назвал это явление «жутким действием на расстоянии», но современная квантовая физика сумела доказать, что оно реально.

Сравнение экспериментальной модели и данных / Ronald Hanson/Nature

Запутанность возникает, когда весьма маленькие частицы становятся настолько связанными друг с другом, что любое воздействие на одну из них влияет на другую, даже если они разделены огромными значениями пространства-времени. Когда исследователи измеряют состояние одной частицы, они могут определить состояние ее партнера, а не изучать его отдельно.

Следуя этому понятию, любая такая частица может вращаться по часовой стрелке или против нее одновременно, подобно печально известному коту Шредингера, пока ее не измерят и она «не решит», в какую сторону вращаться. В квантовой запутанности, когда одна частица «решает» вращаться по часовой стрелке, нам становится известно, что другая частица вращается против нее.

Исследователи XXI века смогли не только доказать, что Эйнштейн был неправ, но и совершили серьезный прорыв в странной науке квантовой запутанности. Один из них — достижение делфтских ученых. В 2015 году Хансон и его команда продемонстрировали реальность «жуткого действия», создав квантовую запутанность между двумя фотонами на расстоянии 1,3 километра.

Вот как работает этот метод. Исследователи использовали алмазные кристаллы с электроном в состоянии неопределенности, то есть электроны были направлены как вверх, так и вниз. Затем они навели на электроны лазерный луч, из-за чего те испустили фотон — частицу света, — который вошел в состояние запутанности с электроном. Когда ученые совместили все фотоны, оба электрона стали запутанными друг с другом. Фотоны собрались вместе в одну волну, что в итоге привело к квантовой запутанности.  

Стабилизация оптической фазы / Ronald Hanson/Nature

К сожалению, из-за внешнего шума запутанность быстро деградировала — буквально за долю секунды. Продолжая работу над этим методом, команде Хансона удалось разработать более стабильный способ, позволивший им намеренно генерировать запутанности.

Исследователи использовали сборочный конвейер, оснащенный умными системами сдержек и противовесов, позволивших им убедиться в том, что все готово к эксперименту. По словам соавтора исследования Питера Хамфриса, в результате у них получилась система в тысячи раз быстрее прежнего метода.

«Подобно современному интернету, где люди постоянно хотят быть онлайн, система должна производить запутанность по каждому требованию», — говорит Хансон.

На этом сборочном конвейере они провели тысячу попыток запутывания, прежде чем им удалось добиться успеха. Далее ученые защитили состояние запутанности от деградации при помощи микроволновых импульсов до момента выброса, происходившего каждую десятую долю секунды.

При использовании этого метода команда смогла сгенерировать 39 квантовых запутанностей, при этом распад случался только пять раз в секунду. Ученые уверены, что совмещение этого результата с одним из прошлых экспериментов, в котором они сумели защитить состояние запутанности, пока генерировали новую сцепленность, позволит построить квантовую компьютерную сеть более чем с двумя подсоединениями.

«В 2020-м мы хотим соединить четыре города в Нидерландах путем квантовой запутанности, — говорит Хансон. — Это будет самый первый квантовый интернет в мире».