Связь сквозь пространство: парижские теоретики разгадали все квантовые корреляции

Физики-теоретики из Института теоретической физики (IPhT) в Париж-Сакле впервые полностью описали статистику, которую может породить система с квантовой запутанностью. Это важное достижение открывает путь к созданию исчерпывающих методов проверки квантовых устройств, независимо от их внутреннего устройства. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Квантовая запутанность — явление, при котором две частицы, например, фотоны с горизонтальной или вертикальной поляризацией, остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними. Если измерить состояние одной из них, то вторая покажет коррелированный результат, как будто частицы “помнят” общее происхождение. Эта странная, но подтверждённая свойство лежит в основе новых подходов к квантовой связи и квантовым вычислениям — направлений, формирующих так называемую вторую квантовую революцию.

Особую важность здесь приобретает так называемое «самотестирование» — возможность проверить корректность квантовой системы, не полагаясь на доверие к оборудованию, которое генерирует и измеряет запутанные состояния. До сих пор удалось самотестировать только некоторые состояния, в основном максимально запутанные состояния двух кубитов. Но оставались «пустые места» — частично запутанные состояния не поддавались полному описанию.

Теперь исследователи Виктор Баризьен и Жан-Даниэль Банкаль продвинулись дальше: им удалось описать полную статистику, возникающую при измерениях частично запутанных квантовых объектов. По словам самих учёных, «идея проста, но трудно объяснима: описывать статистику частично запутанных состояний через призму нашего понимания максимально запутанных». Им удалось найти математическое преобразование, которое делает это возможным и при этом сохраняет физический смысл.

Результатом стало полное описание всех возможных корреляций, которые могут возникнуть при измерении двух кубитов в частично запутанных состояниях. Это открытие имеет как фундаментальное, так и прикладное значение. Оно устанавливает границы того, что вообще возможно в рамках квантовой теории, и одновременно предлагает универсальные способы тестирования самых разных квантовых систем — от фотонов и электронов до сверхпроводящих цепей.

Один из ключевых практических выводов заключается в том, что теперь можно усиливать безопасность квантовых устройств за счёт тестов, основанных не на свойствах приборов, а на статистике их наблюдений. Это особенно ценно, учитывая, что физические параметры устройств могут меняться со временем, а вот измеренная статистика — нет.

Запутанные объекты могут обладать разной степенью взаимосвязи, и на конечный результат также влияет направление измерения — например, в какую сторону “смотрит” поляризатор. Даже в самой простой схеме измерений статистика зависит от пяти параметров: степени запутанности и выбранных направлений измерения на обоих устройствах. Но в более сложных системах число возможных конфигураций возрастает многократно, порождая гораздо более богатую картину корреляций.

Одно из самых удивительных свойств квантовых корреляций — их «нелокальность», то есть невозможность объяснить их в терминах скрытых локальных переменных. Эти эффекты были экспериментально подтверждены, а за соответствующие исследования в 2022 году была вручена Нобелевская премия по физике.

Более того, из самих результатов измерений можно вытащить неожиданно много информации — например, удостовериться, что они действительно случайны, или даже полностью определить модель, описывающую поведение запутанных объектов. И всё это — без какого-либо знания о том, как устроены используемые приборы. В этом смысле квантовые устройства превращаются в «чёрные ящики», из которых всё равно можно извлечь полезную информацию — просто наблюдая за их поведением.