Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
14 декабря 2018, пятница, 12:45
Facebook Twitter VK.com Telegram

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

СКОЛКОВО

РЕГИОНЫ

Рекорд квантовой запутанности

Wikimedia Commons

Ученые из Московского физико-технического института нашли оптимальные квантовые перепутанные состояния, сохраняющие перепутанность максимально длительное время при воздействии локальных шумов. Статья опубликована в журнале Physical Review A, кратко о ней сообщается в пресс-релизе МФТИ. Работа делает следующий шаг в приближении к технологиям квантовых вычислений и связи.

Перепутанные состояния (также называемые запутанными, сцепленными, зацепленными, от англ. entangled) - это понятие, которое относится к парам квантовых частиц, включая, например, фотоны, кванты света. Пара запутанных частиц в определенном смысле ведет себя как единая система и проявляет интересные свойства, на основе которых можно создать ряд принципиально новых технологий квантовых вычислений и связи.

Представим себе, что в результате какого-нибудь события родились одновременно два фотона. Получить пару квантово-запутанных фотонов можно, например, светя на нелинейный кристалл лазером с определенными характеристиками. У порождаемых фотонов в паре могут быть разные частоты (и длины волны), но при этом сумма их частот равна частоте исходного возбуждения. У них также ортогональные поляризации в базисе кристаллической решетки, что облегчает их пространственное разделение. При рождении пары частиц должны выполняться законы сохранения, а значит, суммарные характеристики (поляризация, частота) двух частиц имеют заранее известное, строго определенное значение.

Из этого следует, что, зная характеристику одного фотона, мы совершенно точно можем узнать характеристику другого. Согласно принципам квантовой механики, до момента измерения частица находится в суперпозиции нескольких возможных состояний, а при измерении суперпозиция снимается и частица оказывается в каком-то одном состоянии. Если проанализировать много частиц, то в каждом состоянии окажется определенный процент частиц, соответствующий вероятности этого состояния в суперпозиции. С такой системой частиц происходит еще более странная, чем с одиночной частицей, вещь. Если, например, в ходе эксперимента измерить состояние одной из запутанных частиц, то есть заставить ее принять конкретное состояние, то суперпозиция автоматически снимается и у другой запутанной частицы, на каком бы расстоянии они ни находились. Это было доказано экспериментально в 70 – 80-х годах.

На сегодняшний день экспериментаторам удалось получить квантово-запутанные частицы, разнесенные на несколько сотен километров. Таким образом, получается, что информация передается от частицы к частице с бесконечной скоростью, заведомо большей скорости света. Подробнее о квантовой запутанности можно узнать из очерков «Квантовая запутанность и гравитация» и «Запутанный кот Шредингера».

Квантовые компьютеры привлекательны своей способностью решать отдельные задачи гораздо быстрее обычных. Квантовая связь интересна тем, что сообщения по квантовому каналу физически невозможно перехватить втайне от получателя. И в том и в другом случае оперируют понятием кубитов: квантовых систем, которые могут находится в одном из двух состояний. Точнее – поскольку система квантовая – кубит до проведения измерения находится как бы одновременно в двух состояниях сразу, подобно широко известному коту Шредингера в закрытой коробке. В рамках квантовой механики никакую систему нельзя описать как, скажем, шарик, стрелку или любой иной четко осязаемый предмет: вместо этого необходимо использовать так называемую волновую функцию ψ. Волновая функция «размазана» в пространстве и по ней можно вычислить любую характеристику объекта – от вероятности его обнаружения в заданной точке до, скажем, импульса или энергии частицы.

Волновая функция двух максимально перепутанных кубитов - то есть описывающая две запутанные частицы A и B в двух разных местах - выглядит как ψ ~ 0A1B + 1A0B, причем 0 и 1 соответствуют не числам, а волновым функциям, которые соответствуют состоянию частиц с условным обозначением «0» и «1». Последнее широко применяется в различных вычислительных системах, так как соответствует двоичному коду, самой простой системе кодирования информации. При наличии в двух лабораториях такой запутанной пары частиц можно реализовать протокол квантовой телепортации или осуществить сверхплотное кодирование информации.

Однако сделать кубиты перепутанными в удаленных лабораториях совсем не просто. Обычно для этого используют источник перепутанных кубитов, при этом один кубит отправляется в лабораторию A, другой - в лабораторию B, см. рис. 1.

Рис. 1. Один кубит из перепутанного состояния отправляется в лабораторию A, другой - в лабораторию B. Источник: https://journals.aps.org/pra/article/10.1103/PhysRevA.97.012322/figures/1/medium

На своем пути в соответствующую лабораторию каждый из кубитов неизбежно взаимодействует с окружением, и это взаимодействие проявляется в квантовом шуме. Эти шумы «портят» начальное квантовое состояние и самым пагубным образом действуют на перепутанность. Физики говорят, что квантовое состояние двух кубитов перестает быть чистым и становится смешанным. Тем не менее, если поступившее в лаборатории A и B смешанное состояние все еще обладает хоть небольшой долей перепутанности, то из большого количества таких зашумленных состояний можно дистиллировать небольшое количество максимально перепутанных состояний и использовать их в упомянутых выше протоколах. Если же шум воздействует на кубиты достаточно долгое время, то в лаборатории A и B приходит уже не перепутанное смешанное состояние, а так называемое сепарабельное состояние, из которого уже невозможно дистиллировать максимально перепутанные пары. В настоящее время именно такие «распутывающие» шумы препятствуют практической реализации квантовых протоколов на основе перепутанности между удаленными лабораториями.

Можно предположить, что для получения большой степени перепутанности состояний в лабораториях A и B необходимо, чтобы источник перепутанных пар рождал кубиты в максимально перепутанном состоянии ψ ~ 01 + 10. В работе ученых из МФТИ и Физико-технологического института РАН показывается, что это далеко не так. Таким образом, возникает задача оптимального приготовления начального перепутанного состояния, которое оставалось бы перепутанным максимально длительное время при воздействии шума определенного вида.

Сергей Филиппов, заведующий лабораторией квантовой теории информации МФТИ, рассказывает: «Мы показали, что оптимальное начальное состояние действительно является максимально перепутанным только в случае так называемых унитальных шумов, действие которых всегда приводит к увеличению энтропии».

Шуму неунитальному соответствует ситуация, когда система обменивается энергией с неким внешним тепловым резервуаром и оптимальное начальное состояние уже не является максимально перепутанным. Основываясь на квантовом аналоге теоремы Синкхорна, ученые смогли точно рассчитать оптимальное состояние. По мере воздействия шума оптимальное состояние сначала проигрывает максимально перепутанному, однако выигрывает на больших временах, см. рис. 2.

Рис. 2. Эволюция во времени степени перепутанности изначально максимально перепутанного состояния (красная пунктирная кривая) и оптимально приготовленного состояния (синяя сплошная кривая). Источник: https://journals.aps.org/pra/article/10.1103/PhysRevA.97.012322/figures/3/medium

Авторы показали, что при относительно небольшой температуре окружения (по сравнению с разностью энергий состояний 0 и 1) оптимально приготовленное состояние остается перепутанным в два раза дольше, чем изначально максимально перепутанное состояние. Таким образом, работа ученых может быть использована для значительного усовершенствования экспериментов с перепутанными кубитами.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Loading...
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi Адыгея акустика Александр Лавров альтернативная энергетика «Ангара» антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика аутизм Африка бактерии бедность библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса Византия викинги вирусы военная полиция Вольное историческое общество воспитание Вселенная вулканология гаджеты генетика география геология геофизика глобальное потепление гравитация грибы грипп дельфины демография демократия дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение змеи зоопарк зрение Иерусалим изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам исламизм история история искусства история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура картография католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ кельты киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор космос криминалистика культура культурная антропология Курская область лазер Латинская Америка лексика лженаука лингвистика Луна льготы мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования Международный арбитражный суд в Гааге местное самоуправление Металлургия метеориты микробиология микроорганизмы Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг моллюски Монголия музеи НАСА насекомые научный юмор неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны облачные технологии обучение общество одаренные дети онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты педагогика перевод персональные данные планетология погода подготовка космонавтов политика право преподавание истории приматы продолжительность жизни происхождение человека Протон-М психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы РадиоАстрон ракета растения РБК РВК РГГУ религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Российская империя Русал русский язык рыбы Сергиев Посад сердце Сингапур сланцевая революция смертность СМИ Солнце сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология финансовый рынок фольклор химия христианство Центр им.Хруничева черные дыры школа эволюция экология эмбриональное развитие эпидемии эпидемиология этнические конфликты этология Юпитер ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 495 980 1894.
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.