Первая в истории фотография квантовой запутанности

Физики из шотландского университета Глазго сообщили об эксперименте, в результате которого ученые смогли получить первую в истории фотографию квантовой запутанности частиц. Явления по меркам физики настолько странного, что даже великий ученый 20-го века Альберт Эйнштейн прозвал его «жутким действием на расстоянии». Достижение шотландских ученых очень важно для разработки новых технологий. Почему? Давайте разбираться.

Что такое квантовая запутанность?

Если говорить простыми словами, квантовая запутанность – это явление, при котором состояние двух или более объектов, как правило частиц, может быть взаимозависимым вне зависимости от их расстояния друг от друга. Другими словами, даже если отдалить эти частицы на многие тысячи километров друг от друга – каждая из них будет менять свое состояние в соответствии с изменением состояния другой частицы. Такие частицы называют запутанными, а само явление – квантовой запутанностью.

Хотя само понятие квантовой запутанности предложил в начале 20-го века Альберт Эйнштейн, математический метод доказательства того, что частицы могут быть запутаны между собой, был предложен спустя несколько десятилетий после него ирландским физиком Джоном Беллом. Этот метод получил название «неравенств Белла». Если при определении квантовой запутанности эти неравенства не имеют решения, то это доказывает наличие запутанности.

Как была получена первая фотография квантовой запутанности?

Физики из шотландского университета Глазго нашли способ визуализации этих неравенств, получив первое фотографическое доказательство квантовой запутанности. Для этого они создали очень светочувствительную камеру, которая реагирует на потоки запутанных фотонов, производящихся специальным источником света.

Схема экспериментальной системы выглядит так: кристалл в левом нижнем углу создает пучок из пар запутанных фотонов, который затем разделяется на два. Один проходит через специальные фильтры, а затем попадает на детектор. Второй луч сразу попадает на детектор

Установка создает полностью одинаковые по своим свойствам пары фотонов. Затем они разделяются. Один фотон проходит через фильтры, которые изменяют его физические свойства (состояние). Другой фотон попадает сразу на специальный детектор, минуя фильтры. Светочувствительная камера была настроена таким образом, чтобы фиксировать, когда оба фотона изменяли свои физические состояния, даже разделенные между собой расстоянием.

Пары запутанных фотонов, в которых один из них менял свое состояние в соответствии с изменяющимся состоянием другого фотона

Наблюдения показали, что фотоны, которые проходили через фильтры и те, что через них не проходили одинаково меняют свои состояния. В ходе эксперимента ученые получили четыре фотографии измененных состояний фотонов, а также один снимок, показывающий пары фотонов, в которых один фотон проходил через фильтры, другой нет. Это наблюдение оказалось первым визуальным доказательством явления квантовой запутанности.

Зачем это нужно?

Результаты исследований шотландских ученых могут подтолкнуть развитие технологий для наблюдений за квантовыми явлениями. Возможность наблюдения за этими процессами приблизит исследователей к их полному понимаю и возможности их практического использования.

Концепции квантовой запутанности уже используются, например, при разработке квантовых компьютеров, которые обещают производить вычисления, далеко выходящие за рамки возможностей современных суперкомпьютеров. Кроме того, полное понимание процессов квантовой запутанности позволит применять их при разработке технологий квантового шифрования, которые в свою очередь позволят существенно повысить уровень защиты передаваемых данных.