Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность частиц при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Квантово запутанные частицы в настоящее время рассматриваются как основа сразу нескольких перспективных технологий, включая квантовые компьютеры и защищенные от прослушивания каналы связи. Подробности приведены в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.
Квантово запутанными частицами называют квантовые объекты, которые можно описать в терминах одного общего квантового состояния. Две квантово запутанные частицы могут находиться в разных местах, на сколь угодно большом расстоянии друг от друга, но их по-прежнему надо рассматривать как единое целое: этот эффект не имеет аналогов в классической физике, и его очень активно изучают в последние несколько десятилетий. Физики уже научились запутывать фотоны и нашли им несколько применений — включая создание оптоволоконного канала связи, который в принципе невозможно прослушать. При попытке перехватить передаваемые по такому каналу данные неизбежно разрушается квантовая запутанность фотонов, и законный получатель сообщения тут же обнаруживает постороннее вмешательство.
Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать квантовую телепортацию. Суть этого явления заключается в том, что некий квантовый объект (к примеру, атом) в определенном состоянии из одной лаборатории передает свое квантовое состояние другому объекту в другой лаборатории. Ключевую роль в этом играют именно квантово запутанные частицы, причем подразумевается вовсе не квантовая запутанность между теми атомами, между которыми осуществляется передача состояния. Второй атом становится абсолютно идентичен первому, который при этом переходит в какое-то иное состояние: если бы так перенесли квантовое состояние всех атомов предмета, во второй лаборатории возникла бы его идеальная копия.
Законы квантовой механики не позволяют телепортировать предметы и людей, но уже удается квантово телепортировать отдельные фотоны и атомы — а это позволяет говорить о новых возможностях по построению принципиально новых вычислительных устройств и линий связи. Квантовый компьютер за счет специфических квантовых эффектов сможет очень эффективно решать некоторые задачи и, к примеру, позволит взломать используемые сейчас в банковском деле шифры: однако пока это всего лишь теория. На практике квантовым вычислениям и телепортации мешает процесс, называемый декогеренцией.
Декогеренция — это разрушение квантового состояния за счет взаимодействия квантовой системы с окружающим миром. Для экспериментов по квантовым вычислениям приходится использовать отдельные атомы, пойманные в магнитные ловушки и охлажденные до близких к абсолютному нулю температур, фотоны же после передачи через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой, кванты света. Чтобы построить эффективную квантово-вычислительную систему, ученым требуется решить ряд задач, и среди них отдельно надо выделить задачу сохранения квантовой запутанности как при ослаблении сигнала, так и при прохождении его через усилитель. Оптоволоконные кабели, проложенные по дну океанов, содержат в себе множество специальных усилителей на основе оптического стекла с примесью редкоземельных элементов, и именно эти усилители делают возможным просмотр видеороликов высокого разрешения с какого-нибудь калифорнийского сервера в кампусе МФТИ или в университете Пекина.
В новой публикации сообщается, что определенный класс сигналов можно передать так, что риск разрушить квантовую запутанность становится намного ниже. И затухание сигнала, и его усиление в таком случае не приведет к потере запутанности — для этого необходимо взять частицы в специально приготовленных негауссовых состояниях. На используемом физиками языке условие лучшего сохранения запутанности звучит как «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». При этом используется одно из базовых понятий квантовой механики, волновая функция, а также понятие гауссового распределения — важнейшей математической функции, применяющейся не только физиками, но и всеми специалистами по статистике, вплоть до социологов и экономистов
Квантовая механика отличается от классической тем, что в ней нет ни материальных точек, ни каких-либо тел с однозначно заданными границами. Каждый объект можно описать при помощи волновой функции — каждой точке пространства в каждый момент времени соответствует некоторое комплексное число. Если это число возвести в квадрат *, то получится вероятность обнаружить объект в данной точке. Для получения информации об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине ту же волновую нужно подвергнуть действию так называемого оператора.
Гауссово распределение — функция, которая в простейшем (без дополнительных коэффициентов) виде выглядит как e-x2. На графиках она предстает как колоколообразная кривая, и очень многие процессы в природе дают подобную функцию при математической обработке результатов наблюдений. Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке (это перевод оборота «в координатном представлении») сначала возрастает, а потом уменьшается по правилу колоколообразной гауссовой кривой. Сергей Филиппов пояснил пресс-службе МФТИ, что в таком случае «переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный».
Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную форму, должна существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, — если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.
* На самом деле, так как амплитуда выражается комплексным числом, надо умножать на комплексно сопряженное значение. Деталь опущена в расчете на незнакомых с комплексными числами читателей.
