Физики запутали частицы из настоящего и прошлого

Физики из Еврейского университета в Иерусалиме получили квантово запутанную пару из двух фотонов. При этом одного из фотонов к моменту запутывания уже не существовало. Краткое описание опыта приводит Science Now, а статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters. Препринт статьи доступен на сайте arXiv.org.

Запутанными частицами называют частицы, квантовые характеристики которых связаны друг с другом, то есть, они рассматриваются как единая квантовая система. Воздействие на такую систему - например, измерение какого-нибудь параметра одной из частиц - сказывается на состоянии всего объекта, то есть, в том числе, и на состояниях ее коллег.

Ученым известно множество способов запутать частицы. Простейшим примером возникновения пары запутанных фотонов является случай, когда они испущены одним источником в результате некоторого физического процесса. На эту роль подходит эффект появления двух квантов света при поглощении другого кванта особым кристаллом, известный как спонтанное параметрическое рассеяние.

В рамках работы израильские ученые оттолкнулись от результатов исследований, в которых два фотона запутали не напрямую, а косвенным путем. Помимо непосредственного воздействия на фотоны 1 и 2 можно сначала запутать между собой пару 1 и 3, а также пару 2 и 4 - после чего направить частицы 3 и 4 на детектор, определяющий их состояние. Такая операция давно известна, доказано то, что она приводит к запутыванию фотонов 1 и 2, но ученые внесли в нее радикальное изменение: в их статье описывается несколько иная схема опыта.

Исследователи сначала создали пару фотонов 1 и 2. Затем измерялась поляризация фотона 1, который при этом прекращал свое существование и только потом создавалась пара фотонов 3 и 4. Фотоны 2 и 3 (уцелевший представитель первой пары и один из представителей пары, созданной во вторую очередь) попадали в детектор и далее срабатывал тот же механизм, что в опыте с двумя целыми парами. Фотон 4 запутывался с фотоном 1, хотя того уже и не существовало.

Для определения того, что фотон 4 с чем-то запутан, ученые измеряли поляризацию обеих частиц (у первого фотона это происходило в момент его поглощения) и потому имели полную информацию об их состоянии. Как именно интерпретировать подобное запутывание с несуществующей частицей, вопрос уже более сложный и относится к фундаментальным проблемам квантовой механики - сами ученые ответа на него не дают.

Открытие нового эффекта, как поясняют его авторы, может представлять интерес не только для теоретиков, хотя опрошенный ScienceNow физик Антон Цейлингер из университета Вены уже и назвал ее «выводящей квантовую механику за пределы привычных представлений о времени и пространстве». В квантовых компьютерах и линиях связи запутанные фотоны приходится какое-то время сохранять для дальнейших манипуляций и это отдельная техническая проблема. Если будет найден способ избавиться от необходимости хранить частицы, которые в принципе нельзя остановить на месте, это может упростить конструирование устройств, использующих в своей работе принцип квантового запутывания.