Квантовую запутанность научились сохранять при усилении сигналов

Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность частиц при прохождении через усилитель или при передаче на большое расстояние. Подробности приведены в статье для журнала Physical Review A.

Законы квантовой механики позволяют телепортировать отдельные фотоны и атомы, и это открывает возможности по созданию принципиально новых вычислительных устройств и защищенных от прослушивания линий связи. Квантовый компьютер за счет специфических квантовых эффектов сможет очень эффективно решать некоторые задачи и, к примеру, взламывать используемые сейчас в банковском деле шифры: однако пока это всего лишь теория. На практике квантовым вычислениям и телепортации мешает процесс, называемый декогеренцией.

Декогеренция — это разрушение квантового состояния за счет взаимодействия квантовой системы с окружающим миром. Для экспериментов по квантовым вычислениям приходится использовать отдельные атомы, пойманные в магнитные ловушки и охлажденные до близких к абсолютному нулю температур, фотоны же после передачи через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой, кванты света.

В новой публикации сообщается, что определенный класс сигналов можно передавать так, что их затухание и усиление не приводят к потере запутанности. Условие лучшего сохранения запутанности сформулировано так: «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета».

На графиках гауссово распределение предстает как колоколообразная кривая, и очень многие процессы в природе дают подобную функцию при математической обработке результатов наблюдений. Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке сначала возрастает, а потом уменьшается по правилу колоколообразной гауссовой кривой. Сергей Филиппов пояснил пресс-службе МФТИ, что в таком случае «переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный».

Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную форму, должно существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, — если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.