Как вы думаете, что на фото? Ин-Янь? Единство и борьба противоположностей, да простят меня знающие люди за вольную трактовку этого символа? Однако к нему данное изображение не имеет совершенно никакого отношения. Чувствую я, что эзотерики всякие сейчас просто с ума сойдут.
Это снимок фотонов, находящихся в состоянии квантовой запутанности. Да, зрение и умение читать вас на подводят, на изображении именно это, но, как вы понимаете, фотоны напрямую «сфотографировать» невозможно, поэтому сразу несколько «но».
Это реконструкция изображения по данным сложных измерений, которые скорее можно назвать голографической томографией. Давайте по порядку!
Это всё труды исследователей из Университета Оттавы и Римского университета Ла Сапиенца, которые представили новую технологию, позволяющую визуализировать волновую функцию двух запутанных фотонов в реальном времени.
Волновая функция является ключевым принципом квантовой механики и обеспечивает полное понимание квантового состояния частицы. Это такое уравнение, которое позволяет ученым предсказывать вероятные результаты измерений различных характеристик квантового объекта, таких как положение и скорость. Это предсказательное свойство имеет большое значение, особенно в области квантовых технологий, где знание квантового состояния позволяет тестировать квантовые компьютеры.
Однако, квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях, являются крайне сложными и включают множество элементов, которые могут демонстрировать сильные нелокальные корреляции, известные как запутанность. Это когда два квантовых объекта, допустим, фотона, настолько подружились, что решили сделать такой прикол: «А давай, когда меня первым измерят, ты покажешь потом, когда тебя измерять будут, в точности противоположные значения?» Прикол этот однажды не на шутку взволновал Эйнштейна.
Если предельно упростить, максимально предельно, то квантовую запутанность обычно сравнивают с парой башмаков. Допустим, вы купили в каком-нибудь интернет-магазине себе пару башмаков, но прислали вам только один! Допустим правый. И вы, открыв коробку, будете точно знать, что именно левый башмак теперь будет украшать ногу одного из сотрудников склада. Вопрос о том, зачем ему только один здесь уже не интересен.
Теперь плавно переходим на квантовый язык. Открыв коробку, вы измерили квантовый объект - башмак, и определили одно и его состояний - он правый. Когда-то он был спарен с другим квантовым объектом, и они приобрели два взаимоисключающих состояния. И теперь в любом случае, если вы измерили ваш башмак и он оказался правым, другой, бывший его парой, в любом случае окажется левым.
Размусоливаю, скажете вы, всё же просто и очевидно, однако нет. Всё, что мы знаем о квантовых объектах, и это пока лучшее, что мы о них знаем - это волновая функция. И она не допускает варианта, что при каком-то раскладе какой-то из её параметров уже будет как-то там на квантовом уровне определён. Цифирки в уравнениях этого не допускают. То есть, если мы возьмём два квантовых объекта, заставим их провзаимодействовать, то нет никаких оснований считать, что какие-то из параметров волновой функции этих объектов уже предопределились. Однако измерив их потом по отдельности, если их не трогать после их взаимодействия, мы увидим, что таки да, башмаки распределились по парам. Причем закономерность этого распределения также подчиняется волной функции.
Именно это называют сильными нелокальными корреляциями, если мы решим измерить сразу несколько квантовых объектов, то некоторые из них окажутся запутанными, и их измеряемые значения не всегда будут подчиняться волновой функции по отдельности. Ну то есть учёные, когда проводят измерения, сначала строят модель этих квантовых объектов и предполагают, что картина измерений будет вот такой. И при этом не учитывают возможные запутанности, и не потому, что лень, а потому, что это почти нереально, волновая функция нескольких объектов, да ещё и запутанных, это капец сложная штука, современные суперкомпы тут бессильны. А на деле получается совсем другая картина, потому что некоторые квантовые объекты, так сказать, решили подружиться и прикольнуться.
Так вот, в связи с этим учёные решили, почему бы нам не исследовать волновую функцию запутанных фотонов, пока они вместе? Это, опять же, очень сложное мероприятие, однако на помощь им приходит квантовая томография.
Это, грубо говоря, много-много разных измерений одного и того же квантового объекта, которые дают разные состояния, которые потом собирают в общую картинку. Как при томографии, когда фотографируют отдельные сечения, а потом по ним можно построить трёхмерную картинку каких-либо внутренностей.
Ранее проведенные эксперименты с квантовым томографированием показали, что описание или измерение многомерного квантового состояния двух запутанных фотонов может занимать часы или даже дни. Кроме того, результаты этих экспериментов очень чувствительны к шуму и зависят от сложности экспериментальной установки.
Подход к измерениям в квантовой томографии можно представить как рассмотрение теней многомерного объекта, проецируемых на разные стены с разных направлений. Исследователь видит только эти тени и на их основе делает выводы о форме или состоянии всего объекта.
Однако в классической оптике есть другой способ реконструкции трехмерного объекта. Это называется цифровой голографией и основано на записи одного изображения, называемого интерферограммой, полученного путем интерференции света, рассеянного объектом, с эталонным светом.
Реконструкция бифотонного состояния требует наложения его на, предположительно, хорошо известное квантовое состояние, а затем анализа пространственного распределения положений, в которые одновременно приходят два фотона. Изображение одновременного прихода двух фотонов известно как изображение совпадения. Эти фотоны могут исходить от эталонного источника или неизвестного источника. Квантовая механика утверждает, что источник фотонов не может быть идентифицирован.
Это приводит к интерференционной картине, которую можно использовать для восстановления неизвестной волновой функции. Этот эксперимент стал возможен благодаря усовершенствованной камере, которая записывает события с наносекундным разрешением для каждого пикселя.
Новая технология, разработанная исследователями, позволяет визуализировать волновую функцию двух запутанных фотонов в реальном времени, что значительно сокращает время, необходимое для проведения таких экспериментов. Это важный шаг вперед в развитии квантовых технологий, поскольку позволяет более эффективно и точно изучать и использовать квантовые состояния.
Доктор Алессио Д'Эррико, научный сотрудник Университета Оттавы и один из соавторов статьи, подчеркнул огромные преимущества этого инновационного подхода:
«Этот метод экспоненциально быстрее, чем предыдущие методы, требующий всего нескольких минут или секунд, вместо дней. Важно отметить, что время обнаружения не зависит от сложности системы — решение давней проблемы масштабируемости в проекционной томографии».
Новый подход к квантовой томографии имеет потенциал улучшить качество результатов и снизить влияние шумов в экспериментах. Это может способствовать более точному тестированию квантовых компьютеров и улучшению их производительности.
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться. А если есть желание поддержать проект более весомо, приглашаю на наш Бусти!