Запутаться в квантовой сети

Ученые считают, что сделан первый шаг к «квантовому интернету» и очередной – к квантовому компьютеру: им удалось квантово запутать состояние двух ионов, расположенных в метре друг от друга.
Известно, что явление квантового запутывания показалось Альберту Эйнштейну настолько причудливым, что он до конца своей жизни по-настоящему так и не поверил в квантовую механику, к созданию которой сам приложил немало усилий. Уже после кончины великого физика учёные смогли показать, что явление действительно существует, и никакие «скрытые параметры» не в состоянии объяснить, как запутанные частицы «чувствуют» друг друга на расстоянии.
Квантовое запутывание
(quantum entanglement) – одно из наиболее удивительных следствий квантовой механики нескольких частиц. В классической механике полное знание о состоянии частей системы однозначно определяет состояние целого, а состояние целого однозначно определяет состояние частей. В квантовой механике работает лишь половина этого утверждения: наличие полной информации о состоянии частей квантовой системы определяет состояние целого, однако существуют такие состояния целого, которым не соответствует никакая комбинация состояний ее частей.

При этом запутанные частицы сильно скоррелированы – измерение состояния одной из них определяет состояние другой, где бы та не находилась. Казалось бы, это дает возможность передать инфомацию быстрее скорости света, однако существует теорема, показывающая, что это невозможно. Дело в конечном итоге в том, что мы не можем заставить частицу, состояние которой не определено, принять нужное нам состояние со стопроцентной вероятностью. Единственное исключение - если заранее известно, что она находится в этом состоянии. Однако в этом случае заранее известно и состояние запутанной с ней частицы, поэтому никакой новой информации, измерив ее, мы не получим.

Вместе с тем, передача информации через квантовое запутывание возможно, и предполагается, что именно так будут общаться между собой элементы будущего квантового компьютера. Однако для передачи информации по квантовому каналу (казалось бы, мгновенной), необходимо дополнить его каналом классическим, а это сразу ограничивает скорость передачи сообщения скоростью света.
В конце XX века учёные поставили использование явления на поток, и хотя применяли его пока лишь только в экспериментах, физики с квантовым запутыванием свыклись. Впрочем, запутывать им до недавних пор удавалось лишь расположенные рядом частицы.

Несколько лет назад демонстрация мгновенной квантовой передачи состояния от одной частицы к другой, расположенной на расстоянии сначала в один, а затем и более сотни километров, всколыхнула публику сообщениями о квантовой телепортации. Однако скептиков не покидало ощущение, что тут есть какой-то подвох: такое состояние передавалось фотонами, а они и так перемещаются очень быстро. В конце 2005 года деваться от квантового запутывания стало некуда: физикам удалось квантово запутать два ансамбля атомов, расположеные на расстоянии в несколько метров, и уже без фотонов мгновенно передать квантовое состояние от одного к другому.

Для последнего опыта использовались состояния групп атомов примерно по 100 тысяч штук в каждой. Это совсем не то, к чему стремятся люди, разрабатывающие квантовый компьютер. Хотя большие ансамбли атомов относительно легко приготовить, ими очень трудно манипулировать: никто не знает, как сделать логические элементы, которые будут обрабатывать состояния громадных систем. Изготовить меньшие логические элементы пока, конечно, тоже никому не удалось, но учёные более или менее представляют себе, как это сделать.

В последнем номере Nature вышла статья, авторам которой удалось запутать состояние двух ионов иттербия-171, находящихся на расстоянии в один метр

По мнению ведущего автора статьи Давида Мёринга из германского Института квантовой оптики имени Макса Планка, их работа – первый шаг на пути к созданию распределенных квантовых сетей, и будущему «квантовому интернету».
Информация в опыте кодировалась тем, в каком из двух состояний – условно A или B – находился ион. Для запутывания двух ионов ученые заставляли их излучать по одному фотону. От того, на каком уровне оказывался ион после излучения фотона, зависела энергия последнего, однако предсказать заранее, каким она будет, принципиально нельзя. Таким образом, фотон и ион оказывались запутанными.

Схема опыта с запутыванием ионов

Ученые поместили два иона иттербия-171 в специальные электромагнитные ловушки и перевели их в нужное состояние с помощью лазера. Возбужденный ион нестабилен, и через короткое время (в среднем около 8 наносекунд) ион спонтанно возвращается в свое основное состояние, отдавая энергию посредством излучения кванта света, фотона. При этом основное состояние на самом деле расщеплено на два уровня, и ион может «свалиться» на любой из них. Именно выбранный ионом уровень и кодирует тот квантовый бит информации – так называемый кубит, который ион содержит.

Фотоны, излучаемые при возвращении в одно из двух основных состояний, отличаются. Можно быть уверенным, что если был излучен более энергичный фотон, состояние атома есть условно A, а если менее энергичный фотон – условно B. Тем не менее, пока мы не измерили эту энергию, узнать, в каком именно состоянии находится ион, нельзя, и квантовая механика утверждает, что он находится одновременно в обоих состояниях. Дело здесь не в том, что мы не знаем, на каком именно уровне находится ион. Квантовая реальность такова, что он действительно находится на обоих и ведет себя так, как если бы находился одновременно в двух состояниях. Это явление называется суперпозицией.

При этом за счет существования чёткой связи между уровнем иона и энергией фотона, они оказываются запутанными. Хотя состояние системы из двух частиц четко определено, ему не соответствует никакая комбинация состояний ее составляющих. Это сугубо квантовомеханический эффект – состояние целого не определяет состояние частей.

Ученые проводили свой опыт одновременно с двумя ионами. При этом излученные фотоны по оптоволокну отправлялись в систему детектирования, где комбинировались с помощью полупрозрачного зеркала и отправлялись на два фотодетектора. Система устроена таким образом, что одновременное детектирование двух фотонов означает, что оба иона находятся в разных состояниях (точнее, так называемом максимально запутанном состоянии Белла «пси-минус»). Таким образом, ионы оказывались запутанными друг с другом.

Вероятность детектирования двух фотонов невелика, поскольку большинство из них просто не попадают в оптоволокно. В результате, повторяя описанный выше процесс примерно 550 тысяч раз в секунду, ученые получали пары запутанных ионов всего лишь раз в 8-9 минут.

После этого фотоны посылались по световодам на специальную систему, где детектирование было устроено так, что при одновременном приходе двух сигналов можно было точно сказать, что ионы находятся в разных состояниях – либо один A, другой B, либо наоборот. Квантовая механика утверждает, что если узнать, какой из двух вариантов реализован, нельзя, то использовать схему «либо-либо» нельзя: система находится одновременно в состоянии AB и BA. При этом состояние каждого из ионов в отдельности не определено.

Здесь происходит самое интересное: в дело вступает другой аспект квантовой механики. Хотя система находится одновременно в двух состояниях, наблюдать ее можно лишь в одном из них, и как только акт наблюдения происходит, система сама «коллапсирует» в одно из состояний. В нашем случае достаточно заставить лишь один из ионов сообщить свое состояние – A или B, и это переведет систему двух ионов в состояние AB или BA, соответственно. При этом в состояние B или A мгновенно перейдет и второй ион, где бы он не находился, в метре от первого или, например, на Луне. Впрочем, передать таким образом информацию быстрее скорости света не получится: заставить атом перейти в то состояние, в которое хотелось бы нам, мы не можем.

По мнению одного из авторов исследования, профессора Мерилендского университета Кристофера Монроу, отдельные атомы – наиболее подходящий носитель информации для будущего квантового компьютера, а запутывание находящихся на большом расстоянии кубитов – основа системы передачи информации внутри этого всё ещё мифического устройства.

«Мы продемонстрировали технологию. Для создания системы квантовой обработки информации осталось лишь превратить ее в сеть многих связанных друг с другом компонент», - заключает Монроу.

автор:http://www.gazeta.ru/science/2007/09/08_a_2136136.shtml