Учёные запутали 16 млн атомов одним фотоном

Физики из Университета Женевы продемонстрировали квантовую систему, в которой с помощью одного фотона было одновременно запутано 16 миллионов атомов. Предыдущий рекорд составлял всего 2900 атомов. По словам авторов, результат указывает на то, что некоторые квантовые системы обладают большой устойчивостью, в отличие от хрупких состояний «кота Шредингера». Препринт исследования опубликован на сервере arXiv.org, работа проходит процедуру научного рецензирования.

Квантовая запутанность — особое коллективное состояние системы из нескольких частиц, в котором нельзя рассматривать частицы по отдельности. Оно возникает, например, когда в результате некоторого процесса рождаются два фотона, движущихся в противоположных направлениях (или две другие частицы). Их поляризация при этом обязательно должна быть одинаковой, но она не определена до того момента, пока она не будет измерена. Если измерять поляризацию только одного из фотонов раз за разом, то она окажется случайной, но если делать одинаковые измерения над обоими фотонами, то они всегда будут совпадать.

С помощью специального эксперимента (неравенств Белла) можно доказать, что до измерения фотоны не знают, какой поляризацией они обладают. В момент измерения фотоны словно бы мгновенно обмениваются информацией и  синхронизируют свои поляризации — в этом и проявляется запутанность. Это явление в некотором смысле нарушает фундаментальное свойство законов физики — локальность (невозможность моментально повлиять с Земли на исход эксперимента, происходящего, например, на спутнике Юпитера). Однако с помощью запутанности нельзя передавать полезную информацию, поэтому она не нарушает постулат Специальной теории относительности о невозможности передачи информации со скоростью быстрее скорости света.

Квантовые состояния считаются достаточно хрупкими, поэтому запутанность в системах, состоящих из большого количества частиц, легко разрушается. Физики пытаются создать как можно более крупные подобные системы — с помощью запутанных частиц можно моделировать поведение магнитных материалов, кроме того, запутывание кубитов предлагают использовать в алгоритмах квантовых компьютеров.

Ранее исследователям удавалось запутать одновременно несколько сотен атомов — например, в прошлом году физики из Университета Базеля и Национального Университета Сингапура продемонстрировали нарушение многочастичных неравенств Белла для крупной системы сжатых спинов, состоящей из 480 атомов рубидия. Авторы новой работы улучшили этот результат на несколько порядков.

Схема эксперимента. Слева: схема конструктивной интерференции при переизлучении фотона запутанными атомами. Благодаря ей возникает преимущественное излучение света в определенном направлении. Справа — схема установки. Элемент «квантовой памяти», в котором реализуется запутанность, находится в правой части схемы. Florian Fr?wis et al. / arXiv.org, 2017

Ученые выбрали для запутывания атомы неодима в модуле «квантовой памяти», допированном ортосиликате иттрия (Nd³⁺:Y₂SiO₅). Эти атомы коллективно участвуют в поглощении одиночного фотона кристаллом, после чего формируют запутанное состояние. Спустя примерно 50 наносекунд фотон излучается обратно. По словам авторов, в поглощении участвуют одновременно порядка 40 миллиардов атомов.

Чтобы оценить количество запутанных частиц в системе, физики создали новый способ анализа запутанности. В его основе лежит метод «свидетеля запутанности». Это некоторая функция (след специальной матрицы), которая оказывается больше или равна нулю для разделимых (незапутанных) состояний и меньше нуля — для запутанных неразделимых состояний. Авторы скорректировали традиционный метод таким образом, чтобы значение этой функции отражало количество запутанных частиц.

Главной характеристикой, по которой ученые оценивали степень запутанности, было направление, в котором вылетали фотоны после поглощения кристаллом. Согласно анализу исследователей, по меньшей мере 16 миллионов атомов были запутаны в эксперименте.

Интересно, что одновременно с работой швейцарских физиков на arXiv.org вышел препринт американско-канадской группы, реализовавшей квантовую запутанность между 200 ансамблями по миллиарду частиц в каждом. Физики использовали для этого очень похожую методику, однако вместо направления вылета фотонов ученые анализировали время вылета фотона после поглощения.