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 приводитScience Now, а статья ученых появилась в журналеPhysical 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 опрошенныйScienceNowфизик 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.