Впервые увидели то, о чём спорили десятилетиями: квантовая головоломка раскрыта

Учёные из Киотского и Хиросимского университетов добились того, что долгое время казалось невозможным. Впервые им удалось экспериментально определить загадочное W-состояние — особую форму квантовой запутанности, о которой физики спорили десятилетиями. Это открытие может стать основой для новых технологий квантовой телепортации, защищённой связи и революционных методов вычислений.

Квантовая запутанность: почему это важно

Феномен квантовой запутанности — одно из самых поразительных отличий микромира от классической физики. Если несколько фотонов находятся в запутанном состоянии, они ведут себя как единая система, и описать их по отдельности невозможно. Именно это явление Альберт Эйнштейн называл "пугающе парадоксальным".

Современные квантовые технологии, будь то защищённая коммуникация или квантовый компьютер, строятся на способности учёных не только создавать такие состояния, но и точно их измерять. С этим долгое время существовала проблема: методы вроде квантовой томографии требовали астрономического числа измерений, что практически исключало возможность применения в реальных условиях.

Сравнение подходов к измерению квантовых состояний

Как японская группа решила задачу

До сих пор у физиков был метод определения состояния GHZ, но для состояния W — другого базового многофотонного запутывания — не существовало ни теоретического, ни экспериментального решения.

"Спустя более 25 лет после первого теоретического предложения по гигагерцовым измерениям, научное сообщество теперь располагает соответствующим методом для состояния W", — отметил руководитель группы Киотского университета Сигэки Такеучи.

Основой инновации стала круговая симметрия W-состояния. Исследователи создали фотонную схему, выполняющую квантовое преобразование Фурье, благодаря чему удалось различать состояния независимо от числа фотонов. Для демонстрации построили стабильное устройство, которое могло работать длительное время без активного вмешательства. При вводе трёх фотонов с заданной поляризацией схема надёжно определяла, с каким именно состоянием W имели дело.

Советы шаг за шагом: как работают новые методы

1. Генерация фотонов с нужной поляризацией.

2. Направление фотонов в квантовую схему с преобразованием Фурье.

3. Фиксация выходного сигнала на фотодетекторах.

4. Сравнение результата с модельными данными для разных состояний W.

5. Подтверждение правильной идентификации.

Подобный алгоритм можно масштабировать на большее число фотонов и использовать в практических приложениях — от телекоммуникационных сетей до будущих квантовых дата-центров.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использование классической квантовой томографии для многофотонных систем.

• Последствие: экспоненциальный рост числа измерений и невозможность практического применения.

• Альтернатива: фотонные схемы с преобразованием Фурье, позволяющие определять состояние W за одно измерение.

А что если…

Если метод, разработанный в Японии, удастся перенести на интегральные фотонные чипы, появятся системы, которые смогут проводить идентификацию запутанных состояний прямо в телекоммуникационных линиях. Это значит, что в будущем, например, мобильные сети 6G могут получить встроенные квантовые протоколы защиты данных.

Плюсы и минусы подхода

FAQ

Как выбрать схему для квантовых измерений?
Для лабораторных задач можно использовать томографию, но для масштабных проектов выгоднее применять фотонные преобразования, такие как метод японских учёных.

Сколько стоит разработка фотонных схем?
Стоимость зависит от сложности проекта. Простейшие прототипы — десятки тысяч долларов, промышленные чипы могут стоить миллионы.

Что лучше для связи: состояние GHZ или W?
GHZ обеспечивает "всё или ничего", но при потере части фотонов система рушится. W более устойчиво: даже при утрате одного фотона сохраняется запутанность остальных.

Мифы и правда

• Миф: квантовая телепортация позволяет перемещать людей или предметы.

• Правда: телепортируется только информация о состоянии частицы, а не сама материя.

• Миф: квантовые компьютеры полностью заменят классические.

• Правда: они будут использоваться для специфических задач, где классические вычисления неэффективны.

• Миф: квантовая запутанность нарушает законы физики.

• Правда: явление не противоречит физике, но выходит за рамки интуитивного восприятия.

Интересные факты

1. Состояние W получило название в честь физиков Вольфганга Дюра, Гиса Эйзенберга и их коллег, впервые описавших его в конце XX века.

2. Японская схема работает на основе принципа Фурье, который используется также в аудиообработке и радиосвязи.

3. Квантовые сети уже тестируются в Китае: протяжённость первой линии связи между Пекином и Шанхаем превышает 2000 км.

Исторический контекст

• 1935 год — Эйнштейн с коллегами публикует работу о "парадоксе EPR", положившую начало изучению запутанности.

• 1980-е — первые лабораторные эксперименты с двухфотонной запутанностью.

• 1990-е — разработка теорий для GHZ и W-состояний.

• 2020-е — практическое подтверждение возможности измерения W в реальных условиях.