Наш світ влаштований неймовірно складно. Якщо подивитися в телескоп, то перед нами відкриється цілий всесвіт, нескінченна і розширюється все швидше і швидше. Від однієї думки про те, що в одній лише спостережуваної всесвіту існує близько 10 трильйонів галактик, може закрутитися голова. Але відклавши в сторону телескоп, ми незабаром розуміємо, що навколо нас (і всередині) мешкають трильйони крихітних бактерій, мікроорганізмів і вірусів, таких, як covid-19. І якщо за допомогою спеціальних інструментів подивитися на цей прихований світ ближче, ми, в кінцевому підсумку побачимо мікросвіт, наповнений не тільки бактеріями, а й атомами, з яких вони складаються. В результаті, ми стикаємося зі складним макросвітом з його планетами і галактиками, і мікросвітом, що працює за своїми власними законами. Як відзначають фізики, квантова механіка дозволяє описати рух електронів і протонів, а також вивчити, якими законами управляється мікросвіт. Цікаво, що одним з невирішених і найбільш гострих питань сучасної фізики є неузгодженість квантової механіки і загальної теорії відносності ейнштейна (ото), яка описує, як влаштований і наш світ і світ за межами землі. А нещодавно вчені пішли ще далі. Вони не тільки зв’язали два квантово-заплутаних об’єкта, але й винайшли новий підхід для квантових обчислень.

Фізика стрімко розвивається, особливо квантова механіка

Занурення в квантовий світ

Будучи наукою, що описує пристрій навколишнього світу, квантова механіка дозволила людству обзавестися цифровими технологіями, інтернетом, ліками і медициною і навіть освоїти космічний простір. Про це мало хто замислюється, але якби не створення квантової механіки на самому початку xx століття, нічого цього просто не було б. Так що якщо існує передбачуваний деякими дослідниками мультиверс, можливо, десь є світ, який якимось дивним чином уникнув цієї фізичної теорії.

Нам же з вами неймовірно пощастило, так як квантові технології оточують нас буквально всюди. Екран смартфона або комп’ютера, з якого ви читаєте цю статтю, світлодіодна лампочка у вашій спальні – всі ці девайси, як і всі їх становить, засновані на транзисторах. Такі системи як gps використовують атомний годинник, а в оптоволоконних лініях зв’язку використовується лазерне випромінювання. І це не кажучи про ядерну енергетику і зброю.

Сучасні квантові технології вражають уяву

Цікаво, що лазери, gps навігатори, томографи і транзистори неможливо винайти випадково, без розуміння законів квантового світу. І все ж, як це нерідко трапляється в світі наукових відкриттів, квантовій механіці приділяється неймовірно мало уваги , хоча вона справила величезний вплив на нашій розвиток цивілізації. Більш того, її дуже люблять приплітати різного роду шарлатани і мракобіси, як би кажучи «а ось квантову фізику ніхто не розуміє, як і ось ці наші поля/чакри/аури» і далі за списком.

Безумовно, квантова механіка – складна наука. І створювалася справжніми геніями. Але в ній все-таки можна спробувати розібратися, доклавши зусиль, допитливість і гарна уява.

Становлення квантової механіки

Починаючи з 1900 року вчені поклали початок квантової теорії. Так як класична механіка була вже розроблена і широко застосовувалася, фізики спробували поєднати її з деяким набором «квантових умов» – тих, що суперечать класичній фізиці, але при цьому необхідні для пояснення отриманих експериментальних даних. Насправді саме поява квантової фізики показало, що світло складається з крихітних неподільних одиниць, або квантів – енергії, яку ми називаємо фотонами.

У 1925 році фізик була опублікована революційна стаття фізика вернера гейзенберга (він припустив, що реальність не існує до тих пір, поки її не спостерігають). І лише через два роки, під час сольвейської конференції в 1927 році, квантова механіка отримала офіційне формулювання. Детальніше про те, як розвивалася ця дивовижна область фізики, я розповідала в цій статті, рекомендую до прочитання.

Фізики вперше зв’язали два різних квантових об’єкта

Починаючи з цього часу, науковий прогрес зробив справжнісінький ривок. Вчені знайшли підхід до дослідження конкретних і неймовірно складних завдань, придумали зручні позначення, які лежать в основі стандартної моделі фізики елементарних частинок. Цікаво, що зараз дослідники проводять серії експериментів, результати яких цієї моделі не відповідають. Детальніше про те, чому деякі вчені говорять про народження «нової фізики» можна прочитати тут.

Після 1927 року суперечки між вченими наростали. Так, альберт ейнштейн не міг змиритися з концепцією, запропонованою фізиком нільсон бором, згідно з якою атоми нагадують крихітні моделі сонячної системи, так як електрони обертаються навколо ядра, подібно до планет. Але проведені подальші експерименти показали, що електрони поводяться по-іншому, ніж планети сонячної системи.

Сьогодні ми знаємо, що електрон переміщається з однієї орбіти відразу на іншу, нібито не перетинаючи простір між ними. Цей процес фізики називають «квантовим стрибком». Але є ще одна, мабуть, найдивніша властивість квантової механіки. І це квантова заплутаність.

Квантова заплутаність

Незважаючи на критику квантової теорії, альберт ейнштейн вважав, що їй чогось не вистачає. Чогось, що дозволило б описати властивість частинок, в тому числі їх місцезнаходження в той момент, коли ніхто за ними не спостерігає (тут мова йде про експеримент юнга, докладніше ми розповідали ось тут). І в 1935 році геніальний вчений знайшов її слабке місце – неймовірно дивне явище, що суперечить всім відомим існуючим законам – квантову заплутаність .

квантова заплутаність — теоретичне припущення, яке випливає з рівнянь квантової механіки. Заплутаність говорить, що дві частинки можуть заплутатися, якщо знаходяться досить близько один до одного. Їх властивості при цьому стають взаємопов’язаними.

Але і це ще не все. Якщо розділити ці частинки і відправити їх в різні боки (як і пропонує квантова механіка), вони все одно залишаться заплутаними і будуть нерозривно пов’язані. Цей неможливий зв’язок ейнштейн запропонував назвати «надприродним зв’язком на відстані».

Квантова механіка-один з найважливіших і найбільш складних розділів фізики

Припустимо, хтось взяв пару рукавичок, розділив їх і поклав кожну в окрему валізу. Потім один чемодан відправили вам, а другий в антарктиду. До того моменту, поки валізи закриті, ви не знаєте, яка з рукавичок там лежить. Але відкривши валізу і виявивши в ньому ліву рукавичку, ми зі 100% впевненістю дізнаємося, що у валізі в антарктиді лежить права рукавичка, навіть якщо в нього ніхто не заглядав, – фізик брайан грін в передачі про квантову заплутаність для national geographic.

Тепер же ця історія отримала неймовірне продовження. Команда вчених провела велике міжнародне дослідження, яке розкриває приховані структури квантових заплутаних станів . Але про все по-порядку.

Як зв’язати два квантової-заплутаних об’єкта?

У 2020 році дослідникам з інституту нільса бора копенгагенського університету вдалося зв’язати два дуже різних квантових об’єкта. Результат має кілька потенційних застосувань у надточному зондуванні та квантовому зв’язку. Повністю ознайомитися з текстом наукової роботи можна в журналі nature physics.

Заплутаність є основою для квантового зв’язку і квантового зондування. По суті, це квантова зв’язок між двома об’єктами, яка змушує їх поводитися як єдиний квантовий об’єкт.

Дослідникам вдалося створити заплутаність між механічним генератором-вібруючою діелектричною мембраною — і хмарою атомів, кожен з яких діє як крихітний магніт. Ці дуже різні сутності вдалося заплутати, з’єднавши їх з фотонами-квантами світла. Атоми можуть бути корисними при обробці квантової інформації, а мембрани — або механічні квантові системи в цілому — можуть стати в нагоді для зберігання квантової інформації.

Солгасно принципу квантової заплутаності, дві частинок можуть бути пов’язані перебуваючи один від одного на величезних відстанях

Професор юджин повзик, який очолював цю роботу, заявив: за допомогою цієї нової техніки ми знаходимося на шляху до розширення меж можливостей заплутування. Чим більше об’єкти, чим далі вони один від одного, чим більше вони розрізнені, тим цікавішою стає заплутаність як з фундаментальної, так і з прикладної точок зору. З новим результатом стало можливим переплетення між дуже різними об’єктами.

Примітно, що заплутані системи можуть залишатисяІдеально корельованими, навіть якщо вони знаходяться на відстані один від одного — саме ця особливість так турбувала вчених 100 років тому.

Поява нових квантових технологій

У 2021 році міжнародна команда вчених, до якої увійшли дослідники з шотландії, тайваню і південної африки, запропонувала новий і швидкий інструмент для квантових обчислень і зв’язку.

» квантові стани, заплутані в багатьох вимірах, є ключем до наших нових квантових технологій, де більша кількість вимірювань означає більш високу квантову пропускну здатність (швидше) і кращу стійкість до шуму (безпека), що має вирішальне значення як для швидкого і безпечного зв’язку, так і для прискорення безпомилкових квантових обчислень, – пишуть автори нового дослідження.

Дослідникам вдалося досягти неймовірних результатів.

В ході роботи їм вдалося винайти новий підхід до дослідження «багатовимірних» квантових станів, скоротивши час вимірювання з десятиліть до хвилин. Цей підхід команда протестувала на 100-мірному квантовому заплутаному стані. Їм вдалося показати, що основну інформацію квантової системи — скільки вимірювань заплутано і до якого рівня чистоти — можна отримати за лічені хвилини.

Новий підхід вимагає лише простих «прогнозів», які можна легко виконати в більшості лабораторій за допомогою звичайних інструментів. Використовуючи світло як приклад, фізики застосували повністю цифровий підхід для виконання вимірювань. Проблема, як повідомляють автори, полягає в тому, що, хоча стани високої розмірності легко створюються, особливо з заплутаними частинками світла (фотонами), їх нелегко виміряти – арсенал інструментів для їх вимірювання та управління практично порожній.

Ви не зможете побачити всю картинку цілком, тому отримати точні дані дуже складно. Спосіб обійти цю проблему-зробити томографію, як це роблять лікарі, створюючи зображення з багатьох, багатьох зрізів того чи іншого об’єкта, – пояснюють автори наукової роботи.

Хто знає, до чого приведуть новітні відкриття

Використовуючи розроблений підхід, дослідники припустили, що існує набір вимірювань, який містить важливу інформацію про той і інший об’єкт. Говорячи технічною мовою, фізики об’єднали ці два підходи до вимірювання, щоб зробити кілька проекцій (які виглядають як томографія) і виміряти видимість результату. Їх метод в результаті дозволив виявити приховану інформацію , яку можна було витягти з сили квантових кореляцій у багатьох вимірах.

Поєднання швидкості та інформації, одержуваної за допомогою нового, «томографічного» підходу, означає, що ключові квантові параметри, такі як розмірність і чистота квантового стану, можуть бути визначені швидко і кількісно. Робота опублікована в журналі nature communications, ознайомитися з текстом можна тут.

Зараз команда розглядає свій підхід як фактор, здатний вплинути на дослідження реальних квантових каналів зв’язку, де швидке вимірювання має вирішальне значення . Ось такий він, складний, парадоксальний і дивовижний світ наукових відкриттів. Подивимося, що буде далі, але здається, фізики намацали щось по-справжньому цікаве.