Физики впервые связали два разных квантовых объекта

Наш мир устроен невероятно сложно. Если посмотреть в телескоп, то перед нами откроется целая Вселенная, бесконечная и расширяющаяся все быстрее и быстрее. От одной мысли о том, что в одной лишь наблюдаемой Вселенной существует около 10 триллионов галактик, может закружиться голова. Но отложив в сторону телескоп, мы вскоре понимаем, что вокруг нас (и внутри) обитают триллионы крошечных бактерий, микроорганизмов и вирусов, таких, как COVID-19. И если с помощью специальных инструментов посмотреть на этот скрытый мир поближе, мы, в конечном итоге узрим микромир, наполненный не только бактериями, но и атомами, из которых они состоят. В результате, мы сталкиваемся со сложным макромиром с его планетами и галактиками, и микромиром, работающим по своим собственным законам. Как отмечают физики, квантовая механика позволяет описать движение электронов и протонов, а также изучить, какими законами управляется микромир. Интересно, что одним из нерешенных и наиболее острых вопросов современной физики является несогласованность квантовой механики и Общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), которая описывает, как устроен и наш мир и мир за пределами Земли. А недавно ученые пошли еще дальше. Они не только связали два квантово-запутанных объекта, но и изобрели новый подход для квантовых вычислений.

Погружение в квантовый мир

Будучи наукой, описывающий устройство окружающего мира, квантовая механика позволила человечеству обзавестись цифровыми технологиями, интернетом, лекарствами и медициной и даже освоить космическое пространство. Об этом мало кто задумывается, но если бы не создание квантовой механики в самом начале XX века, ничего этого просто не было бы. Так что если существует предполагаемый некоторыми исследователями Мультиверс, возможно, где-то есть мир, который каким-то удивительным образом избежал этой физической теории.

Нам же с вами невероятно повезло, так как квантовые технологии окружают нас буквально повсюду. Экран смартфона или компьютера, с которого вы читаете эту статью, светодиодная лампочка в вашей спальне – все эти девайсы, как и все их составляющее, основаны на транзисторах. Такие системы как GPS используют атомные часы, а в оптоволоконных линиях связи используется лазерное излучение. И это не говоря о ядерной энергетике и оружии.

Интересно, что лазеры, GPS навигаторы, томографы и транзисторы невозможно изобрести случайно, без понимания законов квантового мира. И все же, как это нередко случается в мире научных открытий, квантовой механике уделяется невероятно мало внимания, хотя она оказала огромное влияние на нашей развитие цивилизации. Более того, ее очень любят приплетать разного рода шарлатаны и мракобесы, как бы говоря «а вот квантовую физику никто не понимает, как и вот эти наши поля/чакры/ауры» и далее по списку.

Безусловно, квантовая механика – сложная наука. И создавалась настоящими гениями. Но в ней все-таки можно попробовать разобраться, приложив усилия, любознательность и хорошее воображение.

Становление квантовой механики

Начиная с 1900 года ученые положили начало квантовой теории. Так как классическая механика была уже разработана и широко применялась, физики попытались совместить ее с некоторым набором «квантовых условий» – тех, что противоречат классической физике, но при этом необходимы для объяснения полученных экспериментальных данных. На самом деле именно появление квантовой физики показало, что свет состоит из крошечных неделимых единиц, или квантов – энергии, которую мы называем фотонами.

В 1925 году физик была опубликована революционная статья физика Вернера Гейзенберга (он предположил, что реальность не существует до тех пор, пока ее не наблюдают). И всего два года спустя, во время Сольвейской конференции в 1927 году, квантовая механика получила официальную формулировку. Подробнее о том, как развивалась эта удивительная область физики, я рассказывала в этой статье, рекомендую к прочтению.

Начиная с этого времени, научный прогресс совершил самый настоящий рывок. Ученые нашли подход к исследованию конкретных и невероятно сложных задач, придумали удобные обозначения, которые лежат в основе Стандартной модели физики элементарных частиц. Интересно, что сейчас исследователи проводят серии экспериментов, результаты которых этой модели не соответствуют. Подробнее о том, почему некоторые ученые говорят о рождении «новой физики» можно прочитать здесь.

После 1927 года споры между учеными нарастали. Так, Альберт Эйнштейн не мог смириться с концепцией, предложенной физиком Нильсон Бором, согласно которой атомы напоминают крошечные модели Солнечной системы, так как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам. Но проведенные последующие эксперименты показали, что электроны ведут себя по-другому, нежели планеты Солнечной системы.

Сегодня мы знаем, что электрон перемещается с одной орбиты сразу на другую, будто бы не пересекая пространство между ними. Этот процесс физики называют «квантовым скачком». Но есть еще одно, пожалуй, самое странное свойство квантовой механики. И это квантовая запутанность.

Вам будет интересно: Предполагает ли квантовая механика множественность миров или что такое интерпретация Эверетта?

Квантовая запутанность

Несмотря на критику квантовой теории, Альберт Эйнштейн полагал, что ей чего-то не хватает. Чего-то, что позволило бы описать свойство частиц, в том числе их местонахождение в тот момент, когда никто за ними не наблюдает (здесь речь идет об эксперименте Юнга, подробнее мы рассказывали вот тут). И в 1935 году гениальный ученый нашел ее слабое место – невероятно странное явление, противоречащее все известным существующим законам – квантовую запутанность.

Квантовая запутанность – теоретическое предположение, которое вытекает из уравнений квантовой механики. Запутанность гласит, что две частицы могут запутаться, если находятся довольно близко друг к другу. Их свойства при этом становятся взаимосвязанными.

Но и это еще не все. Если разделить эти частицы и отправить их в разные стороны (как и предлагает квантовая механика), они все равно останутся запутанными и будут неразрывно связаны. Эту невозможную связь Эйнштейн предложил назвать «сверхъестественной связью на расстоянии».

Допустим, кто-то взял пару перчаток, разделил их и положил каждую в отдельный чемодан. Затем один чемодан отправили вам, а второй в Антарктиду. До того момента, пока чемоданы закрыты, вы не знаете, какая из перчаток там лежит. Но открыв чемодан и обнаружив в нем левую перчатку, мы со 100% уверенностью узнаем, что в чемодане в Антарктиде лежит правая перчатка, даже если в него никто не заглядывал, – физик Брайан Грин в передаче о квантовой запутанности для National Geographic.

Теперь же эта история получила невероятное продолжение. Команда ученых провела крупное международное исследование, которое раскрывает скрытые структуры квантовых запутанных состояний. Но обо всем по-порядку.

Как связать два квантовой-запутанных объекта?

В 2020 году исследователям из Института Нильса Бора Копенгагенского университета удалось связать два очень разных квантовых объекта. Результат имеет несколько потенциальных применений в сверхточном зондировании и квантовой связи. Полностью ознакомиться с текстом научной работы можно в журнале Nature Physics.

Запутанность является основой для квантовой связи и квантового зондирования. По сути, это квантовая связь между двумя объектами, которая заставляет их вести себя как единый квантовый объект.

Исследователям удалось создать запутанность между механическим генератором — вибрирующей диэлектрической мембраной — и облаком атомов, каждый из которых действует как крошечный магнит. Эти очень разные сущности удалось запутать, соединив их с фотонами – квантами света. Атомы могут быть полезны при обработке квантовой информации, а мембраны — или механические квантовые системы в целом — могут пригодиться для хранения квантовой информации.

Профессор Юджин Ползик, возглавлявший эту работу, заявил: С помощью этой новой техники мы находимся на пути к расширению границ возможностей запутывания. Чем больше объекты, чем дальше они друг от друга, чем более они разрозненны, тем более интересной становится запутанность как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. С новым результатом стало возможным переплетение между очень разными объектами.

Примечательно, что запутанные системы могут оставаться идеально коррелированными, даже если они находятся на расстоянии друг от друга — именно эта особенность так тревожила ученых 100 лет назад.

Появление новых квантовых технологий

В 2021 году международная команда ученых, в которую вошли исследователи из Шотландии, Тайваня и Южной Африки, предложила новый и быстрый инструмент для квантовых вычислений и связи.

«Квантовые состояния, запутанные во многих измерениях, являются ключом к нашим новым квантовым технологиям, где большее количество измерений означает более высокую квантовую пропускную способность (быстрее) и лучшую устойчивость к шуму (безопасность), что имеет решающее значение как для быстрой и безопасной связи, так и для ускорения безошибочных квантовых вычислений, – пишут авторы нового исследования.

Это интересно: Почему квантовая физика сродни магии?

В ходе работы им удалось изобрести новый подход к исследованию «многомерных» квантовых состояний, сократив время измерения с десятилетий до минут. Этот подход команда протестировала на 100-мерном квантовом запутанном состоянии. Им удалось показать, что основную информацию квантовой системы – сколько измерений запутано и до какого уровня чистоты – можно получить за считанные минуты.

Новый подход требует только простых «прогнозов», которые можно легко выполнить в большинстве лабораторий с помощью обычных инструментов. Используя свет в качестве примера, физики применили полностью цифровой подход для выполнения измерений. Проблема, как сообщают авторы, заключается в том, что, хотя состояния высокой размерности легко создаются, особенно с запутанными частицами света (фотонами), их нелегко измерить – арсенал инструментов для их измерения и управления практически пуст.

Вы не сможете увидеть всю картинку целиком, поэтому получить точные данные очень сложно. Способ обойти эту проблему – сделать томографию, как это делают врачи, создавая изображение из многих, многих срезов того или иного объекта, – объясняют авторы научной работы.

Используя разработанный подход, исследователи предположили, что существует набор измерений, который содержит важную информацию о том и другом объекте. Говоря техническим языком, физики объединили эти два подхода к измерению, чтобы сделать несколько проекций (которые выглядят как томография) и измерить видимость результата. Их метод в результате позволил выявить скрытую информацию, которую можно было извлечь из силы квантовых корреляций во многих измерениях.

Не пропустите: Гайд по теории Мультивселенной: существуют ли другие миры?

Сочетание скорости и информации, получаемой с помощью нового, «томографического» подхода, означает, что ключевые квантовые параметры, такие как размерность и чистота квантового состояния, могут быть определены быстро и количественно. Работа опубликована в журнале Nature Communications, ознакомиться с текстом можно здесь.

Сейчас команда рассматривает свой подход как фактор, способный повлиять на исследования реальных квантовых каналов связи, где быстрое измерение имеет решающее значение.
Вот такой он, сложный, парадоксальный и удивительный мир научных открытий. Посмотрим, что будет дальше, но кажется, физики нащупали что-то по-настоящему интересное.