Физики экспериментально продемонстрировали одностороннее квантовое управление

Характерные неклассические особенности квантовой физики впервые обсуждались в плодотворной статье Эйнштейна, Подольского и Розена (EPR) в 1935 г. В своем немедленном ответе Шредингер ввел понятие зацепления (entanglement), которое сегодня рассматривают как важнейший ресурс в квантовой информации и квантовой метрологии. Далее, он показал, что суть аргументов в EPR заключается в явлении, которое он назвал steering -«управление» (ну прямо «Улитка на склоне»). В отличие от зацепления и нарушения неравенств Белла, управление подразумевает направленность между составляющими частями. Недавние теоретические работы точно определили это свойство, но возник вопрос, имеются ли двухкомпонентные состояния с управлением только в одном направлении?

В статье, опубликованной в Nature Photonics физиками из University of Hannover's Center for Quantum Engineering and Space-Time Research (QUEST), Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) и Institute for Theoretical Physics (все в Ганновере), представлена экспериментальная реализации двух зацепленных гауссовых мод света, которые фактически демонстрируют управление в одном направлении, но не в другом. Полученное однонаправленное управление проливает новый свет на квантовую физику и может открыть новое поле для приложений в квантовой информации.

Напомним, что при квантовом управлении два участника (Алиса и Боб) играют определенные роли, которые не взаимозаменяемы. Конкретнее, если Алиса выбирает наблюдаемую для измерения, то измерение меняет состояние системы Боба. Если Боб выбирает наблюдаемую для измерения, тогда роли меняются и Боб управляет системой Алисы.

Чтобы продемонстрировать возможность одностороннего управления, физики осуществили зацепление двух лазерных лучей с помощью сложной установки, которая включала смешивание лучей с двумя вакуумными модами. Одна выходная мода направлялась Алисе, и одна – Бобу. Если лучи подготавливались с вакуумным вкладом в определенном промежуточном диапазоне, исследователи наблюдали, что Алиса могла делать измерения на своей стороне, определяя тем самым результаты измерения Боба, но измерения Боба не влияли на результаты Алисы. Другими словами, они наблюдали одностороннее управление. Однако изменение вклада вакуума могло менять результаты. Исследователи обнаружили, что для вакуумного вклада менее 39%, двустороннее управление позволялось. Для вакуумного вклада более 70% управление не позволялось. В промежутке между этими двумя значениями только Алиса могла управлять.

«С самого начала в 1935 г. EPR и Шредингер фокусировались на вопросе, может ли одна подсистема (из зацепленного состояния) быть описана классической моделью с помощью некоторых измерений на другой подсистеме, - сказал соавтор статьи Роман Шнабел (Roman Schnabel). – В нашей работе мы впервые приготовили зацепленное состояние, которое позволяет чисто классическое описание одной подсистемы, но не другой. Наш результат подтверждает важность вопроса EPR и Шредингера, так как мы продемонстрировали, что ответ более разнообразный, чем можно было ожидать». Как он объяснил далее, результаты также дают понимание, насколько квантовая механика отличается от классической механики, что является одним из фундаментальных вопросов в физике. «Наш эксперимент точно определил эффект нарушения когерентности, - продолжил он. – Наше состояние было произведено посредством отбрасывания информации от одной подсистемы (вследствие большого вклада вакуума). Односторонняя потеря информации привела в результате к новой ситуации, что эта подсистема может быть описана классической моделью, тогда как другая подсистема все еще требует квантовой модели. Велись долгие дебаты о том, как в действительности происходит переход от явной (зацепленной) квантовой системы к системе, которая может быть описана классической моделью. Наш эксперимент является такой хорошей моделью системы, которая показывает, как декогерентность порождает переход от квантового к классическому миру».

Как объяснили физики, одностороннее управление приводит к необычной ситуации, в которой два экспериментатора, выполняющие измерение на одном разделяемом состоянии, могут прийти к различным заключениям.

Дальнейшие исследования в этом направлении могли бы дать результаты в таких областях, как распределение квантовых ключей и в информатике в общем.

Одностороннее управление встречается, когда вторая вакуумная мода, использованная для генерирования управляемых состояний, лежала между 39% и 70% (белая область). Когда значение для одного управляемого направления меньше 1,0 (красная гистограмма) и значение для другого управляемого направления больше 1,0 (синяя гистограмма) происходит одностороннее управление

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365