Фізики змогли квантово заплутати хмари атомів. Це взагалі як?

Квантовий світ атомів і частинок вигадливий і дивний. На квантовому рівні частинки можуть проникати через непроникні бар'єри і бути в двох місцях одночасно. Однак дивні властивості квантової механіки — це не математичні примхи, це реальні ефекти, які можна спостерігати в лабораторії знову і знову. Одна з найбільш характерних особливостей квантової механіки — це «заплутаність». Заплутані частинки залишаються загадковим чином пов'язані на будь-якій відстані. І ось три незалежних європейських групи вчених зуміли заплутати не просто пару частинок, як це робили раніше, а окремі хмари тисяч атомів. Вони також знайшли спосіб задіяти технологічний потенціал свого досягнення.

Коли частинки заплутуються, вони обмінюються властивостями, які роблять їх залежними один від одного, навіть якщо вони будуть розділені мільярдами кілометрів. Ейнштейн назвав заплутаність «моторошним дією на відстані», оскільки зміна однієї частинки в заплутаній парі миттєво впливає на її пару — незалежно від того, наскільки вона далека.

Як можна використовувати квантова заплутаність?

Хоча заплутаність може здатися якимось чарівництвом, експерименти показали, що вона існує багато років. І вона також може бути вкрай корисною — пов'язані таким чином частинки можна використовувати для передачі квантового стану частинки, такого як спін, з одного місця в інше миттєво (телепортація). Вони також можуть допомогти в зберіганні величезних обсягів інформації в певному обсязі (надщільна кодування).

Крім можливості зберігати інформацію, заплутаність також може допомогти у зв'язуванні та об'єднання обчислювальної потужності систем у різних частинах земної кулі. Неважко зрозуміти, що це робить її важливим аспектом квантових обчислень. Іншим перспективним напрямком є по-справжньому безпечна комунікація. Все тому, що будь-яка спроба втрутитися в систему з заплутаними частками миттєво порушить заплутаність, зробивши очевидним факт злому каналу зв'язку.

Заплутані фотони також можна використовувати для поліпшення дозволу методів візуалізації. Вчені з Університету Ватерлоо в даний час сподіваються розробити квантовий радар, який зможе виявляти літаки типу стелс.

Вихори в конденсаті Бозі — Ейнштейна

Однак розгорнути технології на основі заплутаності не так-то й просто. Тому що заплутаність — дуже тендітний явище. Експерименти з заплутаністю зазвичай виробляють окремі пари частинок. Проте поодинокі частинки важко з точністю виявити, вони часто губляться або ховаються в навколишньому шумі. Тому завдання ввести їх у стан заплутаності, маніпулювати ними для виконання корисних операцій і, нарешті, просто використовувати — все це нестерпно важко провернути на практиці.

Квантові хмари

Нове дослідження, опубліковане в трьох документах в Science, призвело до значного прориву. Замість того щоб брати окремі частинки і заплутувати їх в одну, вчені почали з сверххолодного газу — зборів тисяч атомів. Вони охолоджуються до температури абсолютного нуля.

Заточені в невеликому обсязі, атоми в такому хмарі стають не відрізняються один від одного і формують новий стан речовини, відоме як конденсат Бозе — Ейнштейна. Атоми в хмарі починають працювати спільно — тепер вони заплутані. Вперше подібний стан речовини було виявлено у 1995 році, за що була отримана Нобелівська премія з фізики в 2001 році. І хоча давно було відомо, що такий метод заплутує тисячі атомів одночасно, ніхто поки не демонстрував методу, який дозволить це здійснити. До цих пір.

Вчені, які провели нове дослідження, показали, що ці хмари можна розділяти на групи і між атомами буде зберігатися квантова зв'язок. Як вони це робили? Випускали атоми з обмеженого простору і використовували лазер, щоб розбивати їх і вимірювати властивості окремих частин великого хмари.

Вчені припускають, що розроблені методи можна розширити так, що кожен атом у хмарі буде використовуватися незалежно. І якщо це вдасться зробити, для квантових обчислень це буде просто казково. У цифрових обчисленнях інформація обробляється у формі нулів і одиниць, або бітах. У квантових ж їм на заміну приходять кубіти. Поточний рекорд кількості працюючих кубітів у вигляді заплутаних іонів (заряджених атомів) усього 20, тому тисячі кубітів, які одночасно працюють у хмарі, будуть представляти серйозне досягнення.

Інша область, яка отримає вигоду від цього прориву, — метрологія, наука надточних вимірювань. Коли між двома частинками або системами утворюється заплутаність, вимірювання, зроблені на одній половині, розкривають інформацію про інше. Це дозволяє вимірювати параметри з більшою чутливістю, ніж було б можливе в іншому випадку. Заплутаність, використовувана таким чином, зможе підвищити точність атомних годин і систему глобального позиціонування (GPS), або допомогти у виробництві більш чутливих детекторів для МРТ-машин, наприклад.

Розуміння і використання квантових ефектів, таких як заплутаність, дозволять створювати нові технології, можливості яких будуть перевершувати наші сучасні. Тому так багато уваги приділяється дослідженням в області квантових технологій і тому так важливі будь-які прориви в цій області.