Физики запутали два удалённых алмаза

Два кристалла, разнесённые на расстояние пятнадцать сантиметров, удалось поместить в состояние квантовой запутанности. Авторы эксперимента считают его важным шагом на пути создания квантовых компьютеров.

Учёные из Оксфордского университета (University of Oxford) использовали два трёхмиллиметровых алмаза (условно – правый и левый). Между ними поместили светоделитель, на который направлялись фотоны.

Два кристалла, находящиеся в состоянии квантовой сцепленности, излучают «красные» и «синие» фотоны, причём конкретный источник этих импульсов так и остаётся неопределённым (иллюстрация с сайта physicsworld.com).

Каждая из частиц могла после делителя побежать к правому кристаллу, а могла к левому. Но по законам квантовой механики до измерения нельзя сказать – куда именно направился тот или иной фотон, считается, что до того момента он находится в суперпозиции двух своих возможных состояний.

Когда фотон попадает в алмаз, часть его энергии может быть поглощена с созданием в кристаллической решётке фонона. Поскольку фононы тоже ведут себя как квантовые частицы, получается, что два алмаза, поглотившие фотон, побывавший в делителе, разделяют на двоих и один фонон, то есть оказываются запутаны.

Поглощённый фотон переизлучается с более низкой энергией (с более низкой частотой), объясняет Physics World. «Покрасневший» фотон сигнализирует, что состояние запутанности достигнуто.

Но чтобы убедиться в этом, необходим зондирующий импульс, снова направляемый через делитель сразу на два алмаза. Встречая фонон, такой зондирующий фотон увеличивает свою энергию и частоту (условно становится «синим»). А дальше самое главное: никто ведь не может сказать, в каком из двух алмазов находился фонон. И это обстоятельство позволяет отделить классическое состояние двух кристаллов от квантового.

После алмазов физики установили набор из поляризаторов, делителей и однофотонных детекторов. Если бы фотоны подчинялись классическим законам, они бы шли или направо, или налево, но не сразу в обе стороны. Тоже можно сказать про ранее созданный фонон: по классическим представлениям он существует или в правом, или в левом алмазе, а по законам квантовой механики описывается функцией словно «размазанной» по обоим кристаллам (они ведь являются запутанными).

Таким образом, в классической ситуации на выходе всей системы после подачи зондирующего импульса «синий» фотон должен с равной вероятностью регистрироваться как в одном, так и в другом детекторе. А в случае, если система описывается законами квантового мира, то в строго определённом детекторе (поскольку «синий» фотон должен коррелировать с появлением «красного»).

Именно такую неклассическую корреляцию в целой серии наблюдений нашли специалисты из Оксфорда. И хотя каждый такой мини-опыт с созданием состояния запутанности и его считыванием длился всего 0,35 пикосекунд (фононы в алмазе живут недолго), в теории этого достаточно пусть не для хранения квантовых данных, то, во всяком случае, для квантовых вычислений.

Важно, что запутанность была достигнута при комнатной температуре. Получается, что такое состояние может сохраняться в обычной окружающей среде в макроскопических твёрдых телах. А потому, полагают постановщики эксперимента, на основе подобных объектов возможно создание квантовых компьютеров, не нуждающихся в криогенной системе охлаждения.

(Детали работы раскрывает статья в Science.)