Квантовая механика настолько странна, что даже Альберт Эйнштейн называл одно из её явлений «жутким действием на расстоянии». Речь идёт о квантовой запутанности — необычной связи между частицами, которую невозможно объяснить с помощью классической физики.
Состояния запутанных частиц оказываются согласованными, даже если сами частицы находятся далеко друг от друга. Измерив одну из них, можно сразу определить состояние другой. Именно эта необычная синхронизация лежит в основе квантовых вычислений, которые в будущем могут применяться в машинном обучении, разработке лекарств, цифровой связи и других областях.
Теперь физики из Австрийского института науки и технологий и Мюнхенского технического университета экспериментально подтвердили теорию квантовой запутанности, предложенную около 20 лет назад. Исследователи создали прототип системы, которую потенциально можно масштабировать для более сложных квантовых вычислений.
Основными элементами квантовых компьютеров являются кубиты — квантовые аналоги обычных битов. Классический бит может принимать одно из двух значений: ноль или единицу. Кубит способен находиться в состоянии, которое сочетает оба значения одновременно, пока его не измерят.
Обычно для запутывания двух кубитов используют отдельные фотоны и постоянно контролируют процесс. В одном из методов фотон передают от одного кубита к другому. В другом каждый кубит испускает собственный фотон, после чего частицы необходимо сопоставить. Такие системы требуют активного управления и срабатывают не всегда.
Авторы нового исследования применили другой подход. Они поместили изолированные кубиты в своеобразную «квантовую ванну» из частиц света и воздействовали на них микроволнами низкой энергии. В результате удалённые кубиты самостоятельно переходили в устойчивое запутанное состояние.
Система работает автономно: ей не требуются постоянные измерения или активная корректировка. Запутанность при этом остаётся стабильной, а не колеблется со временем.
В эксперименте кубиты находились на расстоянии 50 сантиметров друг от друга и были соединены кабелем с источником фотонов. Однако, по словам исследователей, предложенная схема теоретически может применяться на произвольных расстояниях. Кроме того, один источник запутанных фотонов можно использовать для создания множества связанных пар кубитов.
Метод также может пригодиться в гибридных квантовых системах. Фотоны разных частот — например, видимый свет и микроволны — способны поддерживать запутанность между кубитами, работающими при совершенно разных уровнях энергии.
Особенно важно, что запутанное состояние сохраняется дольше собственного времени жизни кубитов и остаётся доступным для дальнейших вычислений. Это выгодно отличает новую систему от кратковременной запутанности, которую необходимо использовать сразу после её возникновения.
Чтобы убедиться, что кубиты действительно синхронизированы, физики измеряли их состояния с помощью чрезвычайно коротких микроволновых импульсов продолжительностью всего несколько миллиардных долей секунды.
При измерении сочетание квантовых состояний разрушается, и кубит принимает значение ноль или единица. Потеря квантовых свойств остаётся одной из главных проблем квантовых вычислений, поскольку вместе с ними исчезают и вычислительные преимущества кубитов.
Более стабильные квантовые системы в будущем могут помочь в разработке лекарств, поиске наиболее эффективных транспортных маршрутов и создании крупных квантовых сетей. Однако пока новый метод уступает технологиям с активным управлением: исследователям удалось передать кубитам около 10 процентов запутанности, доступной в «квантовой ванне».
Тем не менее авторы считают, что эффективность системы можно повысить. Главное преимущество разработки заключается в её относительной простоте и возможности одновременно синхронизировать множество удалённых кубитов.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.
