Измерения запутанных фотонов доказали существование небинарных корреляций

Xiao-Min Hu et al. / Phys. Rev. Lett.
Эксперименты с запутанными фотонами показали, что результаты измерений нескольких квантовых объектов оказываются связаны друг с другом сильнее, чем предсказывала квантовая теория — таким образом ученые подтвердили существование более сильных корреляций, чем бинарные несвязанные корреляции. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Квантовая механика настолько хорошо объясняет наблюдаемые явления и так подробно исследована на теоретическом уровне, что найти в ней какой-нибудь новый эффект кажется практически невозможным. Тем не менее, в глобальном плане квантовая теория должна быть только частью более общей «теории всего», которая свяжет гравитационные и квантовые явления, поэтому ученые продолжают изучать квантовую механику, надеясь, что более подробное понимание ее законов поможет им нащупать путь к «теории всего».
Одни из самых сложных для понимания моментов в квантовой механике связаны с измерениями — процессами, в ходе которых система взаимодействует с классическим прибором и «выбирает» одно из возможных квантовых состояний. Как и все процессы в квантовой механике, измерения описываются наборами операторов. Так, бинарное измерение (измерение с двумя возможными исходами) задается оператором Ê, который обязательно должен быть положительно полуопределен, то есть все его собственные значения должны быть неотрицательны. Аналогично, измерение с n возможными исходами задается n операторами и считается возможным только в том случае, если оно может быть сведено постобработкой к бинарному измерению с эффективным оператором Ê’. Следовательно, любое измерение в квантовой теории можно описать следующим процессом, состоящим из двух шагов: на первом шаге некоторые классические механизмы исключают n−2 возможных исходов, а на следующем шаге система выбирает одно из оставшихся состояний в ходе подлинно квантового бинарного процесса.
В сентябре прошлого года трое физиков из Испании и Венгрии обнаружили простой способ, с помощью которого можно доказать существование более сильных корреляций, чем бинарные несвязанные. Для этого ученые предложили сконструировать из вероятностей исхода специальную величину Ia, максимальное возможное значение которой превышает единицу Iamax ≈ 1,089, но при условии существования только бинарных несвязных корреляций должно выполняться неравенство Ia ≤ 1. Таким образом, если бы измеренное в эксперименте значение Ia превысило единицу, существование сильных корреляций было бы доказано. В новой статье группа ученых под руководством Адана Кабелло (Adán Cabello) поставила такой эксперимент и получила значение Ia = 1,08 ± 0,02, то есть подтвердила теоретические предположения с величиной статистической значимости около 4,6σ (другими словами, вероятность ошибки менее 10−6).
Экспериментальная установка, которую использовали исследователи, выглядела следующим образом. В источнике создавались запутанные двухфотонные состояния, образующие фотонный кутрит — систему, которая может находиться в одном из трех возможных состояний (в данном случае состояния системы определялись поляризацией фотонов). Один из пары запутанных фотонов отправлялся к «Алисе», а другой к «Бобу» — установкам, которые находились в разных лабораториях на расстоянии более восьми метров и могли выполнять два типа измерений, каждое из которых имело три различных исхода. При каждом запуске ученые случайно выбирали, какого типа измерения будут выполнять установки, а затем сравнивали измеренные на них поляризации фотонов. Всего исследователи запускали установку 4500 раз, каждый сеанс сбора информации длился примерно полсекунды.
В октябре прошлого года ученые из Германии, Австрии и США прояснили один из давних аспектов квантовой механики — в опубликованной в Physical Review Letters работе исследователи предложили схемы эксперимента, с помощью которых можно будет напрямую подтвердить изменение фазы волновой функции при перестановке двух бозонов или фермионов. До сих пор это изменение можно было отследить только косвенными способами. А в феврале 2016 года физики из университетов Инсбрука, Женевы и Базеля предложили эксперимент, в котором можно будет наблюдать квантовую запутанность невооруженным взглядом.
В декабре 2016 года российские физики показали, что на выстроенных в кольцо квантовых точках можно построить эффективный квантовый вычислитель, работающий по принципу квантовых блужданий. Внутри такого устройства можно реализовать многоуровневые кубиты, в том числе кутриты.
Дмитрий Трунин