Ионы-телепаты: квантовые системы доказали своё превосходство в простой игре

Нам со всех сторон твердят о том, что квантовые компьютеры могут справляться со сложными задачами гораздо быстрее и эффективнее обычных. Однако до сих пор убедительно доказать такое превосходство удавалось лишь в отдельных случаях, да и те касались настолько сложных вычислений и алгоритмов, что разобраться в них могли только специалисты.

Учёные из Оксфордского университета и Университета Севильи нашли изящный способ продемонстрировать преимущество квантовых систем на примере простой и понятной любому человеку логической игры. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

По словам ведущего автора работы Петера Дрмоты, многие громкие заявления о возможностях квантовых технологий не имеют строгого математического обоснования. Далеко не всегда можно доказать, что классические методы действительно не способны достичь таких же результатов. Поэтому было решено обратиться к нелокальным играм - задачам, требующим от участников принимать решения независимо друг от друга, без возможности обмена информацией. В таких играх классические стратегии имеют строго доказуемый предел успеха, который можно математически рассчитать. А значит, любой результат выше этого предела однозначно подтверждает преимущество квантовых методов.

Разработанная учёными игра "odd-cycle" устроена следующим образом. За круглым столом с нечётным числом мест сидят два игрока. Ведущий в случайном порядке указывает каждому участнику на одно место - либо они получают одно и то же, либо соседние. Главная задача - выбрать для своего места один из двух предложенных цветов. При этом действует два правила: если участникам достаётся одно и то же место, они должны выбрать одинаковый цвет, а если соседние - разные. Опять же, общаться между собой нельзя. Какое место получил напарник, человек не знает.

Для реализации квантовой версии игры физики создали пару ионов стронция и поместили их в специальные ловушки, названные "Алиса" и "Боб". Расстояние между ловушками составило два метра. С помощью сложной системы лазеров и электромагнитных полей учёные добились квантовой запутанности между ионами – особого состояния, при котором частицы начинают вести себя как единое целое.

В классическом варианте игры даже самая продуманная стратегия не позволяет выигрывать чаще определённого показателя. Предел вычислили с абсолютной точностью. А затем провели тысячи испытаний с квантово-запутанными ионами, которые выступали в роли игроков. В каждом раунде они измеряли состояния частиц, интерпретируя их как выбор цвета. Квантовая система стабильно показывала результаты намного выше классического порога. Статистическая значимость превышения составила 26 сигма – число, практически исключающее любую случайность.

При измерении состояний ионы синхронно меняли свои характеристики, проявляя необъяснимые с точки зрения обычной физики взаимосвязи. Для чистоты эксперимента исследователи перекрыли все возможные пути передачи сигналов между частицами – такую процедуру в науке называют закрытием лазейки детектирования. Благодаря этому удалось зафиксировать рекордный уровень нелокальных корреляций между разнесёнными в пространстве ионами.

В будущем группа планирует усложнить эксперимент, подключив новых "участников". Следующим этапом станет реализация GHZ-игры, где уже трое и более участников должны согласованно угадывать числа без права на общение. Результаты исследований помогут создать надёжные системы квантовой связи, без которых невозможно построить квантовый интернет будущего.