Физики определили статистику квантовой запутанности

Исследователи из Института теоретической физики (IPhT) в Париж-Сакле совершили значительный прорыв в области квантовой физики, полностью определив статистику, которую может генерировать система, использующая квантовую запутанность. Их работа, опубликованная в журнале Nature Physics, открывает новые возможности для тестирования квантовых устройств и углубляет понимание фундаментальных свойств квантовых корреляций.

Квантовая запутанность и ее роль в современных технологиях

Квантовая запутанность — явление, при котором два или более квантовых объекта (например, фотоны, электроны или сверхпроводящие цепи) остаются взаимосвязанными, даже будучи разделенными на большие расстояния. Это свойство лежит в основе второй квантовой революции, включающей такие перспективные технологии, как квантовая связь, криптография и вычисления.

Когда измеряется состояние запутанных объектов (например, их поляризация), результаты демонстрируют сильные корреляции, которые не могут быть объяснены классической физикой. Эти корреляции зависят от нескольких факторов: степени запутанности (например, асимметрии в генерации состояний) и выбора измерений (например, направления поляризационных фильтров).

Тест Белла и нелокальность квантовых корреляций

Одним из ключевых следствий квантовой запутанности является нарушение неравенств Белла, что доказывает нелокальный характер квантовых корреляций. Это означает, что наблюдаемые взаимосвязи между частицами нельзя объяснить с помощью классических моделей скрытых переменных. Экспериментальное подтверждение этого явления принесло Нобелевскую премию по физике 2022 года Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру.

Однако квантовые корреляции обладают еще более удивительным свойством — возможностью самотестирования. Это означает, что по наблюдаемой статистике измерений можно однозначно определить свойства квантовых состояний и измерений, даже не зная внутреннего строения используемых устройств (рассматриваемых как «чёрные ящики»).

Самотестирование и его значение

До недавнего времени самотестирование было изучено лишь для ограниченного класса квантовых состояний, в частности, для максимально запутанных состояний двух кубитов (например, состояний Белла). Однако Виктор Баризьен и Жан-Даниэль Банкаль из IPhT смогли полностью описать статистику, возникающую при измерении частично запутанных состояний.

Их подход заключался в использовании математического преобразования, связывающего статистику частично запутанных состояний с уже известными результатами для максимально запутанных случаев. Это позволило не только охарактеризовать все возможные корреляции, но и разработать универсальные методы тестирования квантовых систем.

Практические приложения и перспективы

Полное описание квантовой статистики имеет далеко идущие последствия:

1. Фундаментальная физика — работа устанавливает границы возможных квантовых корреляций, что важно для проверки согласованности квантовой теории.
2. Квантовая криптография — самотестирование позволяет создавать протоколы, безопасность которых не зависит от доверия к аппаратуре, что критически важно для защиты данных.
3. Квантовые вычисления — точное знание статистики помогает в верификации квантовых алгоритмов и отладке квантовых процессоров.
4. Универсальное тестирование устройств — методики, предложенные исследователями, применимы к широкому классу систем, включая фотонные, сверхпроводящие и ионные платформы.

Исследование физиков из IPhT представляет собой важный шаг в понимании и использовании квантовой запутанности. Полное описание статистики измерений для частично запутанных состояний не только расширяет теоретические рамки квантовой физики, но и открывает путь к новым технологическим приложениям, где надежность и безопасность основаны на фундаментальных законах природы.

Эта работа подчеркивает, что квантовая механика продолжает преподносить сюрпризы, а ее глубокое понимание ведет к революционным достижениям в науке и технике.