Квантовая запутанность - один из основных принципов квантовой механики. Физики из исследовательской группы профессора Йоханнеса Финка в Институте науки и техники Австрии (IST Austria) нашли способ использовать механический осциллятор для получения запутанного излучения. Этот метод, который авторы опубликовали в нынешнем издании Nature, может оказаться чрезвычайно полезным, когда речь идет о подключении квантовых компьютеров.
Путаница - это явление, типичное для квантового мира, которого нет в так называемом классическом мире - мире и законах физики, регулирующих нашу повседневную жизнь. Когда две частицы запутаны, характеристики одной частицы можно определить, глядя на другую. Это было открыто Эйнштейном, и в настоящее время это явление активно используется в квантовой криптографии, где, как говорят, оно приводит к неразрывным кодам. Но оно не только воздействует на частицы, излучение также может быть запутанным: именно это явление в настоящее время исследует Шабир Барзанджех, в группе профессора Финка из IST Австрии и первого автора исследования.
"Представьте себе коробку с двумя выходами. Если выходы запутаны, можно охарактеризовать излучение, выходящее из одного выхода, взглянув на другой", - объясняет он. Спутанное излучение создавалось и раньше, но в этом исследовании впервые использовался механический объект. При длине 30 микрометров, состоящей примерно из триллиона (1012) атомов, созданный группой кремниевый луч все еще может быть небольшим в наших глазах, но для квантового мира, тем не менее, он велик. "Для меня этот эксперимент был интересен на фундаментальном уровне", - говорит Барзандже.
Но устройство также имеет практическую ценность. Механические осцилляторы могут служить связующим звеном между чрезвычайно чувствительными квантовыми компьютерами и оптическими волокнами, соединяющими их внутри центров обработки данных и за их пределами. "То, что мы создали, является прототипом квантовой связи", - говорит Барзандже.
В сверхпроводящих квантовых компьютерах электроника работает только при чрезвычайно низких температурах, которые всего на несколько тысячных долей градуса выше "абсолютного нуля" (-273,15 °C). Это связано с тем, что такие квантовые компьютеры работают на основе микроволновых фотонов, которые чрезвычайно чувствительны к шумам и потерям. При повышении температуры в квантовом компьютере вся информация уничтожается. Как следствие, передача информации с одного квантового компьютера на другой в данный момент практически невозможна, так как информация должна будет пересекать среду, которая слишком горячая для ее выживания.
Классические компьютеры в сетях, с другой стороны, обычно подключаются через оптическое волокно, потому что оптическое излучение очень устойчиво к помехам, которые могут испортить или уничтожить данные. Чтобы использовать эту успешную технологию и для квантовых компьютеров, нужно построить канал связи, способный преобразовывать микроволновые фотоны квантового компьютера в оптические носители информации или устройство, генерирующее запутанные микроволновые оптические поля в качестве ресурса для квантовой телепортации. Такое звено послужило бы мостом между оптическим микроволновым и криогенным квантовым миром комнатной температуры, и устройство, разработанное физиками, является одним из шагов в этом направлении. "Осциллятор, который мы построили, приблизил нас на один шаг к квантовому интернету", - говорит первый автор Барзандже.
Но это не единственное потенциальное применение прибора. "Наша система также могла бы быть использована для улучшения характеристик детекторов гравитационных волн", - объясняют Шабир Барзандже и Йоханнес Финк: "Оказывается, наблюдение за такими стационарными запутанными полями подразумевает, что механический осциллятор, производящий его, должен быть квантовым объектом". Это относится к любому типу медиатора и не требует его непосредственного измерения, поэтому в будущем наш принцип измерения может помочь проверить или фальсифицировать потенциально квантовую природу других трудно поддающихся исследованию систем, таких как живые организмы или гравитационное поле".