Построение моста в квантовый мир

Запутанность - один из основных принципов квантовой механики. Физики из исследовательской группы профессора Йоханнеса Финка в Институте науки и технологий Австрии (IST Austria) нашли способ использовать механический генератор для создания запутанного излучения. Этот метод, который авторы опубликовали в текущем выпуске Nature, может оказаться чрезвычайно полезным, когда дело доходит до подключения квантовых компьютеров.

Запутанность - это явление, типичное для квантового мира, которого нет в так называемом классическом мире - мире и законах физики, которые управляют нашей повседневной жизнью. Когда две частицы запутаны, характеристики одной частицы можно определить, посмотрев на другую. Это было обнаружено Эйнштейном, и это явление сейчас активно используется в квантовой криптографии, где, как говорят, оно приводит к созданию неразрывных кодов. Но это не только влияет на частицы, но и излучение может быть запутано: это явление, которое в настоящее время изучает Шабир Барзандже, постдок в группе профессора Финка в IST Австрия и первый автор исследования.

"Представьте коробку с двумя выходами. Если выходы запутаны, можно охарактеризовать излучение, исходящее из одного выхода, посмотрев на другой ", - объясняет он. Запутанное излучение создавалось и раньше, но в этом исследовании впервые использовался механический объект. При длине 30 микрометров и составе около триллиона (1012) атомов кремниевый пучок, созданный группой, может быть, все еще мал в наших глазах, но для квантового мира, однако, он велик. "Для меня этот эксперимент был интересен на фундаментальном уровне", - говорит Барзанье. "Вопрос заключался в следующем: можно ли использовать такую большую систему для получения неклассического излучения? Теперь мы знаем, что ответ: да ".

Но устройство также имеет практическую ценность. Механические генераторы могут служить связующим звеном между чрезвычайно чувствительными квантовыми компьютерами и оптическими волокнами, соединяющими их внутри центров обработки данных и за их пределами. "То, что мы создали, является прототипом квантовой связи", - говорит Барзанье.

В сверхпроводящих квантовых компьютерах электроника работает только при чрезвычайно низких температурах, которые всего на несколько тысячных градуса выше "абсолютного нуля" (-273,15 ° C). Это потому, что такие квантовые компьютеры работают на основе микроволновых фотонов, которые чрезвычайно чувствительны к шуму и потерям. Если температура в квантовом компьютере повышается, вся информация уничтожается. Как следствие, передача информации с одного квантового компьютера на другой в настоящее время практически невозможна, поскольку информация должна была бы пересечь среду, которая слишком горячая, чтобы она могла выжить.

С другой стороны, классические компьютеры в сетях обычно подключаются через оптические волокна, потому что оптическое излучение очень устойчиво к помехам, которые могут повредить или уничтожить данные. Чтобы использовать эту успешную технологию также для квантовых компьютеров, нужно было бы построить связь, которая может преобразовывать микроволновые фотоны квантового компьютера в оптические носители информации или устройство, которое генерирует запутанные микроволново-оптические поля в качестве ресурса для квантовой телепортации. Такая связь послужила бы мостом между оптическим миром комнатной температуры и криогенным квантовым миром, и устройство, разработанное физиками, является одним из шагов в этом направлении. "Генератор, который мы создали, приблизил нас на один шаг к квантовому интернету", - говорит первый автор Барзандже.

Но это не единственное потенциальное применение устройства. "Наша система также может быть использована для улучшения характеристик детекторов гравитационных волн", - объясняет Шабир Барзанье, а Йоханнес Финк добавляет: "Оказывается, что наблюдение таких стационарных запутанных полей подразумевает, что производящий их механический генератор должен быть квантовым объектом. Это справедливо для любого типа медиатора и без необходимости его прямого измерения, поэтому в будущем наш принцип измерения может помочь проверить или опровергнуть потенциально квантовую природу других сложных для исследования систем, таких как живые организмы или гравитационное поле".