Квантовая запутанность без вмешательства: физики оживили предсказание 20-летней давности

Исследователи из Австрийского института науки и технологий (ISTA) под руководством профессора Йоханнеса Финка и аспиранта Алехандро Андреса-Хуанеса впервые экспериментально реализовали полностью автономный метод создания квантовой запутанности между удаленными кубитами. Вместо активного управления или сложных измерений они использовали так называемую «квантовую ванну» — поток особых коррелированных частиц света, который сам синхронизирует работу кубитов. Результаты работы, подтверждающей теоретическое предсказание двадцатилетней давности, опубликованы в журнале Physical Review X.

Квантовая запутанность это одно из самых удивительных и неинтуитивных явлений физики, когда две частицы или системы оказываются связанными настолько сильно, что их свойства невозможно описать по отдельности, даже если они разнесены в пространстве. Именно эта связь лежит в основе будущих квантовых компьютеров и защищенных сетей передачи данных. Однако до сих пор главной проблемой было то, как создать такую связь между кубитами (квантовыми битами), которые находятся далеко друг от друга, причем сделать это надежно и без постоянного вмешательства извне.

Традиционно для этого применялись два подхода. В одном случае один фотон «вручную» направляли от одного кубита к другому, что требовало точного управления. Во втором каждый кубит испускал фотон, и ученые пытались «подобрать» эти частицы так, чтобы они образовали запутанную пару. Второй метод, за который в 2022 году дали Нобелевскую премию, работает, но он несовершенен: он требует многократных повторений, отбора удачных попыток и активного вмешательства, причем успех не гарантирован.

Группа из ISTA пошла совершенно иным путем. Они предложили создать среду, или «квантовую ванну», которая сама заботится о возникновении запутанности. Представьте, что два маятника находятся в общей воде, и волны от этой воды синхронизируют их качания без того, чтобы кто-то подталкивал каждый маятник отдельно.

В эксперименте роль такой воды сыграл непрерывный поток микроволновых фотонов — частиц света с низкой энергией. Эти фотоны были не случайными, а коррелированными, то есть их свойства были связаны между собой изначально. Попадая на два удаленных сверхпроводящих кубита, этот поток как бы «навязывал» им общую квантовую синхронизацию, создавая устойчивую запутанность без единого измерения или управляющего сигнала.

Ключевое отличие нового метода в том, что запутанность не возникает случайно и не исчезает за доли секунды. Она стабилизируется средой и остается доступной для использования в любой момент, как готовый ресурс. Это похоже на переход от ловли рыбы удочкой (когда нужно ждать поклевки) к разведению рыбы в пруду (где она всегда есть под рукой). Для проверки работоспособности системы ученые использовали квантовую томографию, технику, которая позволяет восстанавливать скрытое состояние кубитов по множеству быстрых измерений, длящихся всего десятки наносекунд.

Хотя в текущей версии прототип передает кубитам лишь около 10% той запутанности, которая есть в самой фотонной ванне, это первый экспериментальный успех в данном направлении. Ранее теория существовала только в идеализированных расчетах, и многие факторы мешали ее воплотить, например, технические шумы или потери в цепях. Австрийская команда сумела преодолеть эти препятствия и создать работающий лабораторный образец.

Коротко о результате: исследователи из ISTA построили устройство, в котором два удаленных кубита автоматически запутываются благодаря общему потоку коррелированных микроволновых фотонов, без какого-либо внешнего управления. Это не только подтверждает давнюю теоретическую идею, но и открывает путь к созданию масштабируемых квантовых процессоров, где множество модулей могут синхронизироваться пассивно, подобно тому, как синхронизируются метрономы на общей вибрирующей платформе. Метод еще не самый эффективный, но он принципиально новый и позволяет извлекать готовую запутанность по требованию, что критически важно для будущих отказоустойчивых квантовых вычислений.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях