Квантовый мир атомов и частиц причудлив и удивителен. На квантовом уровне частицы могут проникать через непроницаемые барьеры и быть в двух местах одновременно. Однако странные свойства квантовой механики — это не математические причуды, это реальные эффекты, которые можно наблюдать в лаборатории снова и снова. Одна из самых характерных особенностей квантовой механики — это «запутанность». Запутанные частицы остаются загадочным образом связаны на любом расстоянии. И вот три независимых европейских группы ученых сумели запутать не просто пару частиц, как это делали прежде, а отдельные облака тысяч атомов. Они также нашли способ задействовать технологический потенциал своего достижения.
Когда частицы запутываются, они обмениваются свойствами, которые как бы делают их зависимыми друг от друга, даже если они будут разделены миллиардами километров. Эйнштейн назвал запутанность «жутким действием на расстоянии», поскольку изменение одной частицы в запутанной паре мгновенно воздействует на ее пару — независимо от того, насколько она далека.
Как можно использовать квантовую запутанность?
Хотя запутанность может показаться каким-то волшебством, эксперименты показали, что она существует много лет. И она также может быть крайне полезной — связанные таким образом частицы можно использовать для передачи квантового состояния частицы, такого как спин, из одного места в другое мгновенно (телепортация). Они также могут помочь в хранении огромных объемов информации в определенном объеме (сверхплотная кодировка).
Помимо возможности хранить информацию, запутанность также может помочь в связывании и объединении вычислительной мощности систем в разных частях земного шара. Нетрудно понять, что это делает ее важным аспектом квантовых вычислений. Другим перспективным направлением является по-настоящему безопасная коммуникация. Все потому, что любая попытка вмешаться в систему с запутанными частицами мгновенно нарушит запутанность, сделав очевидным факт взлома канала связи.
Запутанные фотоны также можно использовать для улучшения разрешения методов визуализации. Ученые из Университета Ватерлоо в настоящее время надеются разработать квантовый радар, который сможет обнаруживать самолеты типа стелс.
Вихри в конденсате Бозе — Эйнштейна
Однако развернуть технологии на основе запутанности не так-то и просто. Потому что запутанность — очень хрупкое явление. Эксперименты с запутанностью обычно производят отдельные пары частиц. Однако одиночные частицы трудно с точностью обнаружить, и зачастую они теряются или скрываются в окружающем шуме. Поэтому задача ввести их в состояние запутанности, манипулировать ими для выполнения полезных операций и, наконец, просто использовать — все это невыносимо тяжело провернуть на практике.
Квантовые облака
Новое исследование, опубликованное в трех документах в Science, привело к значительному прорыву. Вместо того чтобы брать отдельные частицы и запутывать их в одну, ученые начали со сверххолодного газа — собрания тысяч атомов. Они охлаждаются почти до температуры абсолютного нуля.
Заточенные в небольшом объеме, атомы в таком облаке становятся неотличимы друг от друга и формируют новое состояние вещества, известное как конденсат Бозе — Эйнштейна. Атомы в облаке начинают работать сообща — теперь они запутаны. Впервые подобное состояние вещества было обнаружено в 1995 году, за что была получена Нобелевская премия по физике в 2001 году. И хотя давно было известно, что такой метод запутывает тысячи атомов одновременно, никто пока не демонстрировал метода, который позволит это осуществить. До сих пор.
Ученые, которые провели новое исследование, показали, что эти облака можно разделять на группы и между атомами будет сохраняться квантовая связь. Как они это делали? Выпускали атомы из ограниченного пространства и использовали лазер, чтобы разбивать их и измерять свойства отдельных частей большого облака.
Ученые предполагают, что разработанные методы можно расширить так, что каждый атом в облаке будет использоваться независимо. И если это удастся сделать, для квантовых вычислений это будет просто сказочно. В цифровых вычислениях информация обрабатывается в форме нулей и единиц, или битах. В квантовых же им на замену приходят кубиты. Текущий рекорд количества работающих кубитов в виде запутанных ионов (заряженных атомов) всего 20, поэтому тысячи кубитов, которые одновременно работают в облаке, будут представлять серьезное достижение.
Другая область, которая получит выгоду от этого прорыва, — метрология, наука сверхточных измерений. Когда между двумя частицами или системами образуется запутанность, измерения, сделанные на одной половине, раскрывают информацию о другой. Это позволяет измерять параметры с большей чувствительностью, чем было бы возможно в противном случае. Запутанность, используемая таким образом, сможет повысить точность атомных часов и систему глобального позиционирования (GPS), либо помочь в производстве более чувствительных детекторов для МРТ-машин, например.
Понимание и использование квантовых эффектов, таких как запутанность, позволят создавать новые технологии, возможности которых будут превосходить наши современные. Поэтому так много внимания уделяется исследованиям в области квантовых технологий и поэтому так важны любые прорывы в этой области.
