Физики впервые создали устойчивую квантовую запутанность на основе темных состояний

В мире квантовой физики, где законы классической реальности уступают место парадоксам и невероятным явлениям, одно из самых загадочных и перспективных явлений — квантовая запутанность — продолжает открывать новые горизонты. На первый взгляд абстрактное понятие, запутанность, при которой состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними, лежит в основе будущих технологий: от сверхбыстрых квантовых компьютеров до абсолютно защищенных систем связи.

Однако на пути к практическому использованию этого феномена встает серьезное препятствие — хрупкость запутанных состояний. Они легко разрушаются под действием окружающей среды, что делает их трудноуловимыми и недолговечными. Именно поэтому открытие, сделанное исследовательской группой, связанной с Университетом науки и техники в Ульсане (UNIST), стало настоящим прорывом: впервые в лабораторных условиях была экспериментально реализована коллективная квантовая запутанность, основанная на так называемых «темных состояниях» — ранее недоступных для прямого наблюдения и управления объектах квантового мира.

Темные состояния — это особые конфигурации квантовых систем, которые практически не взаимодействуют с излучением. В отличие от «светлых состояний», активно поглощающих и испускающих фотоны, темные состояния остаются как бы невидимыми для света. Это свойство делает их чрезвычайно устойчивыми к внешним возмущениям и потере энергии, что, в свою очередь, позволяет квантовым корреляциям сохраняться значительно дольше. Теоретически такие состояния давно привлекали внимание ученых как идеальная основа для долгоживущей квантовой памяти и высокоточных квантовых датчиков. Однако на практике создание и управление темными состояниями оставалось крайне сложной задачей, поскольку они, по определению, не проявляют себя через излучение, а значит, их сложно инициировать, контролировать и измерять.

Исследовательская команда под руководством профессора Чже-Хён Кима с физического факультета UNIST, в сотрудничестве с ведущими специалистами из Корейского исследовательского института стандартов и науки (KRISS) и Корейского института науки и технологий (KIST), сумела преодолеть эти трудности. Ученые разработали уникальную экспериментальную установку, основанную на наноразмерной оптической полости, параметры которой были тщательно настроены для балансировки двух ключевых факторов: силы взаимодействия между квантовыми точками и уровня энергетических потерь в системе. Этот баланс оказался решающим. Если потери в резонаторе слишком велики, квантовые точки ведут себя как изолированные объекты, не образуя общей запутанности. Но при определенном соотношении потерь и связи между частицами система переходит в коллективное состояние, в котором возникает запутанность, защищенная от декогеренции — процесса, разрушающего квантовые эффекты.

Главным достижением работы стало не только создание такого состояния, но и его длительность. Измерения показали, что запутанность в темном состоянии сохранялась в течение 36 наносекунд — что примерно в 600 раз превышает типичное время жизни светлых состояний, составляющее около 62 пикосекунд. Такое увеличение времени когерентности открывает принципиально новые возможности для практического применения. Например, в квантовых вычислениях и хранении информации, где стабильность состояния напрямую влияет на надежность операций, подобная устойчивость может стать ключом к созданию масштабируемых квантовых систем.

Особый интерес представляет и то, что исследователи сумели обнаружить прямые экспериментальные признаки формирования темного состояния. Несмотря на то, что такие состояния по своей природе подавляют излучение фотонов, при определенных условиях группа зафиксировала одновременное испускание пар фотонов квантовыми точками — явление, известное как неклассическая группировка фотонов. Это стало неопровержимым доказательством того, что запутанность действительно сформировалась и имеет коллективный характер. Такое поведение невозможно объяснить классической физикой и оно указывает на глубокие квантовые корреляции между частицами.

Профессор Чже-Хён Ким подчеркнул значение проделанной работы: «Эта экспериментальная реализация запутанности темного состояния, ранее существовавшей только в теории, показывает, что, тщательно контролируя потери в системе, мы можем сохранять квантовые корреляции в течение длительного времени. Это открывает новые возможности для квантового хранения информации, высокоточных датчиков и даже технологий сбора энергии, основанных на квантовых принципах». Его слова указывают на широкий спектр потенциальных применений: от создания долговременной квантовой памяти, способной хранить информацию без потерь, до разработки ультрачувствительных сенсоров, способных регистрировать минимальные изменения в окружающей среде — например, в медицинской диагностике или геофизике.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, не только подтверждают правильность теоретических моделей, но и демонстрируют, что управление квантовыми системами на уровне темных состояний уже становится реальностью. Этот прорыв знаменует переход от чисто теоретических концепций к экспериментально управляемым квантовым архитектурам. Он показывает, что даже самые ускользающие аспекты квантового мира можно не только наблюдать, но и использовать на практике — при условии точного контроля над параметрами системы.

Таким образом, работа исследователей из UNIST и их партнеров — это не просто научный успех, а важный шаг на пути к созданию технологий следующего поколения. Они приблизили нас к миру, в котором квантовые эффекты будут не просто лабораторными курьезами, а основой реальных устройств, способных преобразить информационные технологии, энергетику и науку в целом.