Вот что удивительно в физике: существуют правила, управляющие крошечными частицами внутри атомов, и эти правила странные. Настолько странные, что Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием». Речь идет о квантовой запутанности — явлении, при котором две частицы оказываются настолько глубоко связанными, что то, что происходит с одной из них, мгновенно влияет на другую, независимо от расстояния между ними.
Я помню, как впервые узнал об этом в университете: мой мозг, по сути, «замкнуло». Как могут две частицы, находящиеся на противоположных концах Вселенной, быть связаны? Разве это не должно быть невозможным?
Эйнштейн тоже так думал. Он не был поклонником этого явления. Он считал, что каждая частица должна иметь свою собственную независимую реальность, а запутанность, казалось, нарушала это здравое представление. Но вот в чем дело: десятилетия экспериментов доказали, что Эйнштейн ошибался. Запутанность реальна, она странна, и, возможно, именно она станет основой следующей технологической революции.
Почему это важнее, чем вам кажется
Запутанность — это не просто физическая курьезность. Это основа новых технологий, которые могут изменить всё: от безопасной связи до вычислительных мощностей, на фоне которых сегодняшние суперкомпьютеры будут выглядеть как калькуляторы.
Проблема в том, что практическое использование запутанности в реальных устройствах было невероятно сложным. Одно дело — доказать в лаборатории, что частицы запутаны, и совсем другое — надежно создавать, манипулировать и идентифицировать конкретные запутанные состояния для практических приложений.
Последние 25 лет у ученых был надежный метод идентификации одного типа запутанных состояний (так называемого состояния GHZ), но другой важный тип — состояние W — оставалось упорно трудным для точного определения. Представьте, что у вас есть надежный инструмент для одного типа замков, но ничего нет для другого, не менее важного.
До сих пор.
Момент «Ага!»: использование симметрии
Именно здесь новая исследовательская работа становится по-настоящему захватывающей. Ученые из Университета Киото и Университета Хиросимы нашли умный способ идентифицировать состояния W, используя так называемую циклическую симметрию сдвига.
Позвольте мне объяснить это без сложных математических терминов.
Представьте, что у вас есть три фотона (частицы света), запутанные в состоянии W. Теперь представьте, что вы можете сдвигать их расположение повторяющимся циклом — как вращение мест за круглым столом — и основная структура остается узнаваемой. Именно эту симметрию исследователи использовали как свою опору.
Используя это свойство, они разработали квантовую схему, которая по сути может «посмотреть» на запутанное состояние и определить, что это за состояние, за одно измерение, а не по традиционному подходу, требующему сбора огромных объемов данных и последующего вычислительного восстановления состояния.
Разница подобна разнице между решением головоломки методом проб и ошибок и тем, когда вам вручают ответ и объясняют, как его нашли. Одношаговый подход радикально более эффективен.
Что это означает для будущего
Здесь мой внутренний техно-энтузиаст приходит в настоящий восторг.
Это прорыв напрямую продвигает квантовую телепортацию — которая, несмотря на название, не предполагает перемещение материи куда-либо (извините, фанаты «Звездного пути»). Речь идет о передаче квантовой информации из одной точки в другую с помощью запутанности. По сути, это квантовый интернет-аналог отправки сообщения.
Новая методика измерения также может ускорить разработку:
- Квантовых сетей связи, которые теоретически невозможно взломать;
- Подходов к квантовым вычислениям на основе измерений, которые могут быть проще в реализации;
- Многофотонных систем для более мощных квантовых процессоров.
Исследовательская группа уже планирует масштабировать эту технологию за пределы демонстрации на трех фотонах. Если им удастся распространить это на более крупные системы — а математика подсказывает, что это возможно, — мы получим практический инструмент, о котором многие исследователи квантовых технологий мечтали очень давно.