Физики приблизились к разгадке того, как работает загадочное «жуткое» квантовое состояние

Фото: New Scientist

Квантовый свет показал, что запутанность, которая может неразрывно связывать две далекие частицы, может быть эквивалентна столь же странному квантовому свойству одной частицы. Это открытие может пригодится для разработки новых квантовых технологий и помочь физикам понять, почему частицы могут изначально находиться в состоянии квантовой запутанности. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, пишет New Scientist.

По словам ученых, квантовый мир функционирует способами, которые принципиально отличаются от знакомых законов классической физики. Ученые изучили два основных примера странного квантового поведения, известные как контекстуальность и нелокальность.

Контекстуальность означает, что результат измерения квантового объекта зависит от того, какие другие измерения выполняются над ним в то же время. Нелокальность означает, что измерение свойств одного квантового объекта, например, частицы, может немедленно раскрыть что-то о другом объекте, даже если он находится очень далеко. Эту квантовую запутанность иногда называют "жутким действием на расстоянии", и физики пока не пришли к единому мнению, как она работает.

Авторы нового исследования показали, что одно из этих свойств может быть преобразовано в другое. Физики использовали пары квантово запутанных частиц света, или фотонов. Они поместили каждый фотон в квантовое состояние, которое имело сложные вращательные свойства: если бы эти фотоны были частью луча света, этот луч был бы закручен в форме спирали.

Чем более закрученными делали физики фотоны, тем более сложными становились их квантовые состояния. Фактически, они смогли сделать так, что квантовые состояния фотонов имели до шести измерений, то есть как если бы фотон существовал в шестимерном квантовом мире.

Поскольку фотоны были квантово запутаны, физики знали, что они испытают нелокальность. Например, заставляя один из фотонов проходить через детектор, который менял его свойства, ученые всегда сразу узнавали о соответствующих новых свойствах другого фотона без необходимости его измерять. Чтобы связать это с контекстуальностью, физики использовали математический подход преобразования между нелокальностью и контекстуальностью.

Ученые создали формулу, в которую они могли вставлять свои измерения, чтобы проверить, работает ли преобразование. Физики обнаружили, что оно работает. Таким образом ученые показали, что квантовая запутанность может быть многомерной. Этот открытие соответствуют давним предположениям.

Авторы исследования говорят, что связь между контекстуальностью и нелокальностью не изучалась так же хорошо, как квантовая запутанность, но она может быть ключом к пониманию того, как работает это "жуткое" квантовое состояние.

Какой механизм позволяет двум квантово запутанным фотонам сохранять свои свойства связанными, даже когда они находятся далеко друг от друга? Этот эксперимент приближает ученых к ответу на один из главных вопросов квантовой физики.

Также новое исследование может иметь практические последствия. Физики считают, что их результаты могут быть полезными для разработки таких технологий, как сверхзащищенная квантовая связь, эффективная квантовая криптография и некоторые типы квантовых вычислений.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ARDinform