994
Уявіть собі невидиму мотузку, яка зв’язує два крихітні об’єкти так міцно, що їхній дивний квантовий зв’язок живе навіть довше, ніж кожен із них окремо. Саме це вперше вдалося зробити фізикам з Інституту науки і технологій Австрії (ISTA) та Технічного університету Мюнхена, підтвердивши 20‑річну теорію про квантову заплутаність. Про прорив детально розповідає видання ScienceAlert.
Що відомо коротко
- Дослідники експериментально підтвердили 20‑річну теорію про те, як можна автономно створювати й підтримувати квантову заплутаність.
- Вони використали так звану «квантову ванну» з мікрохвильових фотонів, щоб заплутати два віддалені кубіти без постійного ручного керування.
- Отримана заплутаність виявилась «стаціонарною» – її можна підтримувати довше, ніж триває власний «життєвий час» кубітів.
- Схема працює на довільних відстанях і теоретично може бути масштабована на багато віддалених кубітів і цілі мережі.
- Нині метод передає лише близько 10 % доступної заплутаності, але має потенціал для суттєвого вдосконалення.
Що таке заплутаність і чому вона така «моторошна»
Альберт Айнштайн називав квантову заплутаність «моторошною дією на відстані». Два заплутані об’єкти поводяться так, ніби між ними є невидимий миттєвий канал зв’язку, який не вписується в рамки класичної фізики.
Уявімо дві «квантові монетки», які ми підкидаємо: як тільки одна «випала» орлом, ми миттєво знаємо, що інша буде решкою, навіть якщо вона на Марсі, а не на Землі. Цей дивний збіг не пояснюється звичайною статистикою: стан однієї монети якимось чином пов’язаний зі станом іншої.
У фізиці інформації цю роль відіграють кубіти – квантові аналоги звичайних бітів. Класичний біт може бути тільки 0 або 1, наче вимикач «вимкнено» чи «увімкнено». Кубіт же може бути в суперпозиції – одночасно «і 0, і 1», трохи як знамените котяче парадоксальне життя Шредінгера, коли кіт у коробці водночас і живий, і мертвий, доки ми не заглянемо.
Коли кілька кубітів заплутані, їхні стани стають настільки взаємопов’язаними, що описати кожен окремо вже неможливо – існує лише спільний «багатокубітний» стан. Саме на цьому ефекті будуються квантові комп’ютери.
Чим новий підхід відрізняється від попередніх
Традиційно створити заплутаність між двома кубітами пропонували двома способами. У першому випадку між ними активно посилають одиничний фотон, яким треба дуже точно керувати. У другому, що приніс Нобелівську премію, кожен кубіт випромінює свій фотон, і ці фотони потім «зводять докупи», змушуючи кубіти взаємно заплутатися.
У обох варіантів є проблема: вони схожі більше на акробатику, ніж на стабільну інфраструктуру. Потрібне постійне тонке налаштування, багато спроб не вдаються, а самі стани заплутаності зазвичай нетривалі – вони гойдаються, як маятник, і швидко зникають.
У новій роботі фізики запропонували іншу ідею: замість того, щоб вручну «в’язати вузлики» між кубітами, вони просто посадили їх у одну й ту ж «квантову ванну» з мікрохвильових фотонів. Це як не намагатися по черзі втихомирити двох собак, а просто окропити їх обох одним і тим самим шлангом – в якийсь момент вони починають реагувати синхронно.
Установку можна уявити як пристрій, що генерує потік мікрохвильових фотонів зі строго визначеними квантовими властивостями. Цей потік одночасно «купав» два ізольовані кубіти, розташовані на відстані близько 50 см, змушуючи їхні стани вирівнюватися і ставати заплутаними.
Як працює «квантова ванна» і чим це важливо
Фізик Алехандро Андрес-Хуанес (Alejandro Andrés-Juanes), перший автор роботи, пояснює, що головна мета полягала в тому, щоб поєднати два світи: форми заплутаності, які легко отримати в лабораторії, та ті, що реально корисні в технологіях.
«Квантова ванна» забезпечує так звану стаціонарну заплутаність. Це означає, що система сама підтримує потрібний стан, без активного втручання чи постійних вимірювань. Заплутаний стан немовби «фіксується» і не розгойдується, як маятник.
Особливо вражає те, що вчені змогли стабілізувати заплутаність довше, ніж живуть самі кубіти. За словами Йоганнеса Фінка (Johannes Fink), старшого автора дослідження, такий стан залишається доступним як ресурс для подальших квантових обчислень навіть тоді, коли окремі кубіти вже втратили свою звичайну когерентність.
Схему можна теоретично розтягувати на довільні відстані – в експерименті кубіти з’єднувалися кабелем у пів метра, але принцип не обмежений цією довжиною. Ба більше, один джерело корельованих (заплутаних) фотонів можна налаштувати так, щоб воно створювало одразу багато пар заплутаних кубітів, що критично для майбутніх квантових мереж.
Як це перевірили і де це може знадобитися
Щоб упевнитися, що кубіти справді «ідуть в ногу», дослідники застосували надкороткі мікрохвильові імпульси тривалістю лише наносекунди – мільярдні частки секунди. Цими імпульсами вони вимірювали стан кожного кубіта.
Під час вимірювання всі можливі квантові стани суперпозиції колапсують у звичайні 0 або 1. Це й є одна з фундаментальних проблем квантових обчислень: так звана декогеренція, коли кубіт «втрачає свою квантовість» і перетворюється на звичайний біт, знищуючи переваги квантового підходу.
Нова схема не усуває декогеренцію як таку, але дозволяє зробити так, що корисний, заплутаний стан виявляється доступним значно довше й у більш контрольованій формі. Це ключ до практичних квантових мереж, де віддалені кубіти мають залишатися в надійному зв’язку.
За оцінками авторів, наразі метод дозволяє використати близько 10 % заплутаності, доступної в «квантовій ванні». Це небагато, і підходи з активним керуванням поки ефективніші. Але тут є інша перевага: простота та масштабованість.
Така технологія може лягти в основу гібридних квантових систем, де фотони різних частот – наприклад, у видимому діапазоні та в мікрохвилях – стабілізують заплутаність між кубітами, які працюють на дуже різних енергетичних рівнях. Це важливо для з’єднання різних типів квантових пристроїв в одну мережу.
Практичні наслідки можуть сягати від нових методів розробки ліків до оптимізації транспортних завдань на кшталт класичної задачі комівояжера – пошуку найефективнішого маршруту між багатьма точками. Навряд чи ми скоро отримаємо «квантові ноутбуки для котячих гіфок», але за лаштунками інфраструктури та науки ефект може бути колосальним.
FAQ
Цей результат уже можна вважати остаточним підтвердженням теорії?
Дослід демонструє працездатний прототип, що відповідає теоретичним передбаченням 20‑річної давнини, і опублікований у журналі Physical Review X. Водночас ефективність поки низька, тож інші групи, ймовірно, повторюватимуть і розширюватимуть ці експерименти, перш ніж метод стане стандартом.
Чому з квантовою заплутаністю так важко працювати?
Кубіти надзвичайно чутливі до будь-яких збурень: тепла, шуму, навіть випадкових електромагнітних коливань. Це призводить до декогеренції – руйнування квантового стану. Тому установки для квантових комп’ютерів нагадують «золоті люстри» – величезні холодильні системи, що охолоджують усе майже до абсолютного нуля.
Чи означає це прорив у побутових квантових технологіях?
Поки що ні: йдеться радше про фундаментальний крок у правильному напрямку. Технологія допомагає вирішити одну з ключових проблем стабільної заплутаності, але до масових пристроїв ще далеко – потрібно підвищити ефективність, надійність і адаптувати метод до різних типів квантових платформ.
Навіщо взагалі масштабувати заплутаність на великі відстані?
Віддалена стабільна заплутаність – це основа майбутніх квантових мереж і, можливо, квантового «інтернету». Вона дозволить безпечно передавати інформацію, зв’язувати квантові комп’ютери в єдині кластери та розв’язувати задачі, які окремій машині не під силу.
Фізики навчилися не просто створювати крихітні квантові дива, а й утримувати їх живими довше, ніж самі «носії» цих див – і це змушує по‑новому подивитися на те, що вважалося неминучою крихкістю квантового світу. Якщо ми можемо стабілізувати таку ефемерну річ, як заплутаність, то наступним кроком стане будівництво цілих квантових екосистем, де «моторошна дія на відстані» перетвориться на цілком робочий інструмент технологій.
Фізики змусили квантову “мотузку-привид” триматися довше за самі кубіти з’явилася спочатку на Цікавості.
