Запутаться в квантовой сети

Известно, что явление квантового запутывания показалось Альберту Эйнштейну настолько причудливым, что он до конца своей жизни по-настоящему так и не поверил в квантовую механику, к созданию которой сам приложил немало усилий. Уже после кончины великого физика учёные смогли показать, что явление действительно существует, и никакие «скрытые параметры» не в состоянии объяснить, как запутанные частицы «чувствуют» друг друга на расстоянии.

В конце XX века учёные поставили использование явления на поток, и хотя применяли его пока лишь только в экспериментах, физики с квантовым запутыванием свыклись. Впрочем, запутывать им до недавних пор удавалось лишь расположенные рядом частицы.

Несколько лет назад демонстрация мгновенной квантовой передачи состояния от одной частицы к другой, расположенной на расстоянии сначала в один, а затем и более сотни километров, всколыхнула публику сообщениями о квантовой телепортации. Однако скептиков не покидало ощущение, что тут есть какой-то подвох: такое состояние передавалось фотонами, а они и так перемещаются очень быстро. В конце 2005 года деваться от квантового запутывания стало некуда: физикам удалось квантово запутать два ансамбля атомов, расположеные на расстоянии в несколько метров, и уже без фотонов мгновенно передать квантовое состояние от одного к другому.

Для последнего опыта использовались состояния групп атомов примерно по 100 тысяч штук в каждой. Это совсем не то, к чему стремятся люди, разрабатывающие квантовый компьютер. Хотя большие ансамбли атомов относительно легко приготовить, ими очень трудно манипулировать: никто не знает, как сделать логические элементы, которые будут обрабатывать состояния громадных систем. Изготовить меньшие логические элементы пока, конечно, тоже никому не удалось, но учёные более или менее представляют себе, как это сделать.

В последнем номере Nature вышла статья, авторам которой удалось запутать состояние двух ионов иттербия-171, находящихся на расстоянии в один метр.

По мнению ведущего автора статьи Давида Мёринга из германского Института квантовой оптики имени Макса Планка, их работа – первый шаг на пути к созданию распределенных квантовых сетей, и будущему «квантовому интернету».

Информация в опыте кодировалась тем, в каком из двух состояний – условно A или B – находился ион. Для запутывания двух ионов ученые заставляли их излучать по одному фотону. От того, на каком уровне оказывался ион после излучения фотона, зависела энергия последнего, однако предсказать заранее, каким она будет, принципиально нельзя. Таким образом, фотон и ион оказывались запутанными.

После этого фотоны посылались по световодам на специальную систему, где детектирование было устроено так, что при одновременном приходе двух сигналов можно было точно сказать, что ионы находятся в разных состояниях – либо один A, другой B, либо наоборот. Квантовая механика утверждает, что если узнать, какой из двух вариантов реализован, нельзя, то использовать схему «либо-либо» нельзя: система находится одновременно в состоянии AB и BA. При этом состояние каждого из ионов в отдельности не определено.

Здесь происходит самое интересное: в дело вступает другой аспект квантовой механики. Хотя система находится одновременно в двух состояниях, наблюдать ее можно лишь в одном из них, и как только акт наблюдения происходит, система сама «коллапсирует» в одно из состояний. В нашем случае достаточно заставить лишь один из ионов сообщить свое состояние – A или B, и это переведет систему двух ионов в состояние AB или BA, соответственно. При этом в состояние B или A мгновенно перейдет и второй ион, где бы он не находился, в метре от первого или, например, на Луне. Впрочем, передать таким образом информацию быстрее скорости света не получится: заставить атом перейти в то состояние, в которое хотелось бы нам, мы не можем.

По мнению одного из авторов исследования, профессора Мерилендского университета Кристофера Монроу, отдельные атомы – наиболее подходящий носитель информации для будущего квантового компьютера, а запутывание находящихся на большом расстоянии кубитов – основа системы передачи информации внутри этого всё ещё мифического устройства.

«Мы продемонстрировали технологию. Для создания системы квантовой обработки информации осталось лишь превратить ее в сеть многих связанных друг с другом компонент», - заключает Монроу.