В свое время Альберт Эйнштейн был обеспокоен явлением квантовой запутанности. В соответствии с законами квантовой механики два запутанных объекта могут вести себя как единая система, не взаимодействуя друг с другом и находясь на значительном расстоянии – изменение состояния одного влечет за собой изменение состояния второго. Это явление нарушает локальный реализм – скрытые переменные, обеспечивающие известные нам причинно-следственные связи, потому физик предполагал, что квантовая физика неверна.

Подобные опасения давно уже опровергнуты – квантовая физика не подвергается сомнению, а локальный реализм на деле не описывает нашу реальность. Проведенный эксперимент – далеко не первый опыт с квантовой запутанностью, но его методика может подсказать технологии для улучшения квантовых вычислений.

Запутанные сверхпроводящие кубиты (или трансмоны, далее по тексту просто «кубиты») обеспечивают ученым хороший контроль над системой, позволяя проводить большое количество экспериментов с высокой точностью и за короткое время для исследования запутанности. Кубиты управляются микроволновым излучением, для их запутывания требуется перемещать между ними несколько низкоэнергетических микроволновых фотонов, избегая влияния окружающей среды.

Расстояние и среда, разделяющая кубиты должны гарантировать, что свет не будет достаточно быстрым для прохождения между двумя кубитами, нарушая условия эксперимента. Ученые рассчитали, что для этого понадобится расстояние 30 м и сверхпроводник из алюминия с температурой несколько милликельвинов между ними.

Основная трудность подобных экспериментов – с высокой точностью показать, что корреляция изменений вызвана именно запутанностью, а не информацией, распространяющейся со скоростью света. Для этого нужны либо огромные расстояния, либо среды, в которых свет предельно замедляется. Таким образом, изменение происходит до того, как свет успел бы пройти между объектами – в данном случае, кубитами.

Необходимость в низких температурах обусловлена связыванием кубитов с помощью микроволновых фотонов. Они легко теряются в любом внешнем шуме, поэтому его необходимо свести к минимуму, предельно охладив все объекты эксперимента – кубиты и проводник. Не вдаваясь в подробности, условия были обеспечены с помощью тридцатиметровой трубы, жидкого азота и гибких соединений, компенсирующих температурное сжатие.

Столь хрупкая конструкция сработала на удивление хорошо. Исследователи смогли провести более миллиона отдельных испытаний всего за 20 минут. Полученные корреляции оказались выше предела, установленного уравнениями Белла, на целых 22 стандартных отклонения. Иными словами, значение р результата было ниже 10 в степени -108.

Двумя основными факторами, ограничивающими производительность системы, являются ошибки в кубитах и ​​потеря фотонов, используемых для их запутывания. Исследователи считают, что они могут улучшить оба обстоятельства, потенциально сделав кубиты самой строгой проверкой принципов квантовой механики. Но работа может стать более значимой из-за того, как именно были запутаны кубиты – технологические наработки помогут создавать квантовые компьютеры.

Современные квантовые компьютеры (опять же, не вдаваясь в детали) вскоре могут потребовать множества соединенных между собой квантовых чипов по несколько сотен кубитов в каждом. Для работы отдельного чипа требуется охлаждение – также, как и на соединении между ними. Эксперимент показывает возможность создания и охлаждения квантовой системы на значительном расстоянии между объектами.

Нобелевскую премию по физике присудили за эксперименты с запутанными квантовыми состояниями

Источник: Ars Technica