Квантовые технологии произвели революцию в нашем понимании природы и открыли новые возможности в области вычислений, связи и сенсорики. Однако всегда существовал теоретический предел эффективности этих технологий. До сих пор.
Группа исследователей под руководством профессора Штефани Барц из Штутгартского университета и Центра комплексной квантовой науки и технологии (IQST) недавно сделала революционное открытие, которое ставит под сомнение этот предел. В своем исследовании они продемонстрировали, что ключевой компонент многих схем квантовых вычислений и коммуникаций может быть выполнен с эффективностью, превышающей обычно предполагаемый верхний теоретический предел. Этот прорыв открывает новые перспективы для широкого спектра фотонных квантовых технологий.
В основе квантовых технологий лежит концепция квантовой запутанности, о которой впервые заговорили Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Квантовая запутанность позволяет обмениваться информацией между несколькими квантовыми системами таким образом, который не имеет аналогов в классической физике. Эта концепция оставалась в значительной степени философской до 1960-х годов, когда физик Джон Стюарт Белл придумал способ экспериментально разрешить разногласия между Эйнштейном и Бором.
Концепция Белла была впервые исследована в экспериментах с фотонами - квантами света. Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер были пионерами в этой области и в прошлом году совместно получили Нобелевскую премию по физике за их новаторские работы в области квантовых технологий. Имя Белла продолжает жить благодаря состояниям Белла, которые описывают квантовые состояния двух частиц, запутанных настолько сильно, насколько это возможно.
Однако при использовании в экспериментах обычных оптических элементов два из четырех состояний Белла имеют идентичные экспериментальные сигнатуры и неотличимы друг от друга. Это ограничение означает, что общая вероятность успеха в экспериментах по квантовой телепортации при использовании только линейных оптических компонентов изначально ограничена 50%.
Исследовательская группа из Штутгартского университета преодолела это ограничение путем повышения эффективности экспериментальной установки. Для этого они использовали сочетание глубокого понимания квантово-физических принципов, систематических методических разработок и продуманных инженерных решений. Экспериментальная установка состоит исключительно из линейных компонентов, таких как зеркала, делители пучка и волновые пластины, что обеспечивает ее масштабируемость.
Преодолев общепринятый верхний теоретический предел, исследователи открыли новые возможности для квантовых технологий. Квантовая телепортация, основанная на измерениях состояния Белла, стала более эффективной и надежной. Этот прорыв имеет значительные последствия для квантовой связи и квантовых вычислений, делая их более практичными и осуществимыми.
Профессор Штефани Барц, ведущий исследователь, так прокомментировала значение полученных результатов: "Наши результаты демонстрируют, что при правильном подходе и использовании инновационных методов мы можем расширить границы того, что раньше считалось невозможным в квантовых технологиях. Это открывает новые захватывающие возможности для исследований и разработок в данной области".
Исследование, проведенное профессором Штефани Барц и ее сотрудниками из Штутгартского университета и Центра комплексной квантовой науки и технологии (IQST), опубликовано в рецензируемом журнале. В исследовании приводится подробный анализ экспериментальной установки и усовершенствований, позволивших достичь эффективности, превышающей теоретический предел.
