Группа ученых из Еврейского университета в Иерусалиме провела уникальный эксперимент, теоретически способный положить начало новой эре в развитии коммуникаций. Они доказали, что на практике возможно создать такую пару фотонов, которые способны иметь квантовую связь, не зависящую от времени и пространства. Иными словами, две частицы могут быть прочно связаны, не только находясь сколь угодно далеко друг от друга, хоть на противоположных концах Вселенной. Но даже не существуя одновременно, пишет Science.
Свою работу под названием "Запутанность между фотонами, не существующими одновременно" ("Entanglement Between Photons that have Never Coexisted") физики Эли Мегидиш и Хагай Айзенберг публиковали относительно давно, однако широкое признание их достижений пришло после опубликования несколько дней назад в издании Physical Review Letters Американского физического общества.
Для восприятия эксперимента необходимо иметь представление о понятии квантовой запутанности (quantum entanglement -термин, не имеющий устойчивого аналога в русском языке; применяется перевод "квантовая запутанность", "квантовая зацепленность", "запутанные квантовые состояния" и другие). Термин впервые был введен еще в 1935 году "хозяином" одного из самых знаменитых котов в истории Эрвином Шредингером. Под квантовой запутанностью подразумевается явление, при котором состояния частиц оказываются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния, разделяющего эти частицы.
Квант света - фотон - может быть поляризован и 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 может узнать, поляризована вертикально, то парная частица, как бы далеко она ни была, будет поляризована горизонтально, и наоборот, приводят "Вести" краткий экскурс в квантовую физику.
Собственно, наличие устойчивой связи между парными фотонами до сей поры не считалось чем-то необыкновенным. Но то, что связанные фотоны могут не быть современниками - это ново. Чтобы прийти к таким выводам физики провели следующий эксперимент.
"Обмен запутанностями"
Они начали со схемы, известной как "обмен запутанностями" (entanglement swapping). Для этого исследователи дважды направили луч лазера на 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 ученые установили бы запутанность между фотонами 2 и 3.
"Проекционное измерение" свойств одной из частиц вызывает появление определенного ее 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, путем 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. 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 все равно проявлялась между ними.
Теоретический результат в практическом применении
Интересно, что ученые к результатам своей работы относятся в некотором роде скептически. Физики признают, что с одной стороны им удалось доказать существование связи между частицами, не зависящей от пространства и даже времени, с другой, эта связь фактически является нереальной. "Наш эксперимент показывает, что не совсем логично считать квантовую запутанность каким-то реальным физическим явлением. Так как два фотона никогда не существовали одновременно, нельзя утверждать, что между ними существовала связь в какой-либо момент времени", - цитирует Science соавтора исследования Хагая Айзенберга.
Однако даже такой абстрактный результат может быть весьма полезен в прикладной науке. Так, физики считают, что в будущем возможно создание квантовых сетей с протоколами обмена данными, работающими по принципу "обмена запутанности", пишет Science. С их помощью, полагает издание, можно было бы создавать квантовую связь между пользователями, находящимися на большом расстоянии друг от друга, и с ее помощью обмениваться информацией. Причем пользователю на одном конце даже не пришлось бы ждать, пока информация преодолеет расстояние - изменение состояния противоположного фотона мгновенно вызовет изменение и его пары.