Физики создали квантовую связь между фотонами, разделёнными временем и пространством

Термин "квантовая запутанность" был введён ещё Эрвином Шрёдингером в 1935 году для обозначения явления, при котором состояния частиц оказываются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния, разделяющего эти частицы. По сути, это явление — всего лишь доказательство парадоксальности квантовой механики, однако современной физике под силу создать сеть частиц, имеющих квантовую связь между собой.

Несмотря на то, что это явление описывается теориями квантовой механики и доказывается экспериментально, многие учёные относятся к нему скептически. Этот раскол в научном мире произошёл ещё с момента спора Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Эйнштейн говорил, что квантовая запутанность — идея слишком абсурдная и не имеет ничего общего с реальностью и наблюдениями. Он называл это "призрачным взаимодействием" (spooky action), поскольку данная теория шла вразрез с его утверждением о непреодолимости скорости света.

Сегодня учёные из Израиля экспериментально доказали, что возможно создать пару фотонов, имеющих квантовую связь, даже если они не существуют в одно и то же время. То есть, к тому удивительному факту, что подобная связь работает даже на большом расстоянии (хоть все 13,8 миллиардов световых лет), добавляется ещё и временное разделение. Получается, что взаимосвязь двух частиц настолько сильна, что их может разделять и время, и пространство, а квантовая связь всё равно будет действовать.

Квант света, он же фотон (который одновременно представляет собой и частицу, и волну) может быть поляризован и, по сути, может принимать два состояния: вертикальной и горизонтальной поляризации. Запутанность возникает, если имеются парные фотоны, каждый из которых может быть либо горизонтально, либо вертикально поляризованным. Их квантовая связь проявляется следующим образом: если измерить состояние одного фотона, то можно с уверенностью сказать, что состояние его пары будет противоположным. То есть, если частица, свойства которой мы можем узнать, поляризована вертикально, то парная частица, находящаяся хоть на другом конце Вселенной, будет поляризована горизонтально, и наоборот.

Специалист по квантовой оптике Эли Мегидиш (Eli Megidish) и его коллега Хагай Айзенберг (Hagai Eisenberg) из Еврейского университета в Иерусалиме создали квантовую связь между двумя фотонами, которые не существовали одновременно.

Они начали со схемы, известной как "обмен запутанностями" (entanglement swapping). Для этого они дважды направили луч лазера на специальный кристалл, чтобы получить две пары фотонов. Полученные частицы обозначили цифрами: пара 1 и 2, пара 3 и 4. Первоначально частицы 1 и 4 не имели квантовой связи, но она должна была появиться, как только учёные установили бы запутанность между фотонами 2 и 3.

"Проекционное измерение" свойств одной из частиц вызывает появление определённого её состояния, а также изменение состояния парной частицы на противоположное, как в случае с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Таким образом, даже если фотоны 2 и 3 не были изначально запутаны, путём измерений физики придали одному из них одно состояние из двух, а его "напарнику" — противоположное.

Любое измерение вызывает запутанность фотонов, даже если при этом происходит разрушение одного из них. Итак, если рассматривать только тот случай, при котором частицы 2 и 3 оказываются в одном и том же состоянии, то фотоны 1 и 4 автоматически оказываются запутанными после измерений. Для наилучшего понимания можно привести простой пример: если у вас есть цепь из четырёх звеньев, то при соединении её крайних звеньев, серединные также оказываются связанными.

Чтобы создать квантовую запутанность между фотонами 1 и 4, которые даже не существовали в один и тот же момент, Айзенберг и его коллеги для начала запутали фотоны из пары 1 и 2, а затем измерили поляризацию фотона 1 обычным способом. Затем уже физики "связали" частицы 3 и 4 и произвели "проекционные измерения". Последним этапом исследователи измерили поляризацию фотона 4. И даже при условии того, что фотоны 1 и 4 никогда не сосуществовали, квантовая запутанность всё равно проявлялась между ними, сообщают учёные в препринте статьи на сайте arXiv.org.

При "обмене запутанностями" связь передаётся фотонам 1 и 4 путём измерения фотонов 2 и 3 (верхняя схема). Новый эксперимент доказывает, что схема по-прежнему работает, даже если фотон 1 уже уничтожен к тому моменту, как появляется фотон 4 (нижняя схема)(иллюстрация AAAS/Science).

Айзенберг говорит, что даже в условиях теории относительности, где два наблюдателя, движущиеся с разной скоростью, по-разному воспринимают последовательность событий во времени, ни один из них не скажет, что частицы 1 и 4 из его эксперимента когда-то существовали одновременно.

"Наш эксперимент показывает, что не совсем логично считать квантовую запутанность каким-то реальным физическим явлением. Поскольку два фотона никогда не существовали одновременно, невозможно утверждать, что между ними существовала связь в какой-либо момент времени", — рассказывает Айзенберг.

Физик из Венского университета Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) считает, что эксперимент его израильских коллег в очередной раз доказывает, как неустойчивы концепции квантовой механики. "Квантовые эффекты имеют мало общего с тем, что мы наблюдаем в реальной жизни каждый день", — говорит он.

И всё же прогресс в области квантовой механики может в корне изменить привычную для нас жизнь. К примеру, на основе исследования Айзенберга и его коллег можно будет создать неразрывную скрытую связь между двумя пользователями, находящимися на большом расстоянии друг от друга. Пользователю на другом конце "провода" не нужно будет ждать, пока передаётся информация: изменение состояния противоположного фотона мгновенно вызовет изменение и его пары. Цайленгер также надеется, что такие эксперименты смогут вдохновить создателей квантовых компьютеров на усовершенствование технологий.