Механическое вращение породило запутанность свойств фотона

Британские физики обнаружили возникновение квантовой запутанности между различными свойствами одиночных фотонов, бегущих одновременно по разным вращающимся интерферометрам Саньяка. Этот результат можно интерпретировать как свидетельство рождения запутанности, вызванное искривлением пространства-времени. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Величайшая проблема в физике — объединение квантовой механики и теории относительности — пока не решена. Причин у этого несколько, но самая важная из них заключается в том, что процессы, описываемые этими теориями, происходят на очень разных масштабах. Это побуждает физиков придумывать эксперименты, где релятивизм и искривление пространства времени соприкасаются с квантовыми свойствами объектов.

Сначала ученые пытались увидеть влияние гравитационных эффектов на набег фазы квантовых частиц. Впервые это было сделано с помощью интерференции нейтронов в гравитационном поле Земли. Сегодня для этого используют более точные атомные интерферометры или атомные часы.

Существуют похожие эксперименты и для безмассовых фотонов. В 2019 году физики из Великобритании объединили релятивистский эффект Саньяка с интерферометрией Хонга — У — Мандела. Они увидели, что набег фазы фотонов в точности совпадает с предсказанием специальной теории относительности. Теперь же часть этой команды, а именно Марко Торош (Marko Toroš) из Университета Глазгоу и его коллеги, увидели, как вращение приводит к запутыванию свойств фотонов.

Под запутыванием физической системы понимают ситуацию, при которой два или более ее свойства оказываются связанными друг с другом квантовыми корреляциями, и измерение одного из них влияет на результаты измерения другого. Это могут быть как одни и те же свойства разных частиц, так и несколько свойств одной частицы. С точки зрения математики вектор состояния такой системы не может быть представлен в виде произведения множителей, изолированно описывающих запутанные свойства (то есть в сепарабельном виде). Квантовая запутанность, вообще говоря, не должна сохраняться в общей теории относительности. Авторы нового исследования решили проверить это предположение.

В своем эксперименте физики генерировали фотоны в состоянии суперпозиции H- и V-поляризации и с помощью светоделительной пластинки наделяли их суперпозицией по проходимым путям, в результате чего состояние было сепарабельным. Оба пути пролегали через два интерферометра Саньяка, отличающихся радиусом. В отсутствии вращения состояние фотона на выходе продолжало быть сепарабельным, то есть измерение того, по какому из интерферометров прошел фотон не было связано с его поляризацией. Вращение же интерферометров меняет ситуацию.

И теория, и эксперимент показали, что сепарабельность и запутанность поляризации с траекторией фотонов периодически сменяют друг друга с ростом угловой частоты. Оказалось, что для радиусов волоконных петель порядка долей метра и оптических длин волн запутанность возникает уже при герцовых частотах. Физики убедились в этом, проводя томографию состояний выходных фотонов.

Ученые привели любопытную интерпретацию своего опыта. Оказалось, что движение в двух разных неинерциальных системах отсчета, соответствующих двум вращающимся интерферометрам, математически эквивалентно движению в двух пространствах-временах размерности 1+1 с различными метриками. Другими словами, результаты работы физиков можно интерпретировать как свидетельство того, как искривление пространства-времени способно генерировать квантовую запутанность. По мнению авторов статьи, малые частоты эффекта делают возможным экспериментальные поиски эффектов квантовой гравитации, вызванных вращением Земли, уже на текущем уровне технологий.

Ранее мы рассказывали, как связь между запутанностью и кротовыми норами исследовали с помощью квантового компьютера. Для симуляции прохождения информации через такой объект оказалось достаточно девяти кубитов.