Как пара физиков доказали невозможное: точная формула для очищения квантовой запутанности таки существует

Физики-теоретики из Японии и Нидерландов сделали прорыв в области квантовых технологий, найдя точное математическое выражение для ключевого процесса — дистилляции запутанности. Это может приблизить создание более устойчивых и мощных квантовых устройств, включая компьютеры и системы связи.

Запутанность — это странное квантовое явление, при котором частицы, даже будучи на огромных расстояниях друг от друга, ведут себя как единое целое. Именно она лежит в основе работы многих перспективных квантовых технологий. Однако добиться идеальной, «чистой» запутанности в реальных условиях крайне сложно. Физические ограничения и шумы в оборудовании приводят к тому, что получаемые состояния далеки от идеала.

Чтобы решить эту проблему, используется процесс под названием дистилляция запутанности. Его суть в том, чтобы из большого количества «грязных» и слабо запутанных состояний получить меньшее число максимально запутанных. Этот метод критически важен, но рассчитать, насколько эффективно он работает — задача исключительно сложная. До сих пор такие вычисления удавались лишь в отдельных, строго определённых случаях.

Теперь учёные Бартос Регула из Центра квантовых вычислений RIKEN и Людовико Лами из Амстердамского университета сумели получить точное выражение скорости дистилляции запутанности при менее жёстких условиях. Это всего лишь второй случай в истории, когда удалось сделать такой расчёт. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Оказалось, что этот результат связан с идеями, обсуждавшимися ещё 20 лет назад. Тогда ряд статей предположил, что существует связь между дистилляцией запутанности и понятием относительной энтропии. Однако позднее в исходных доказательствах были найдены ошибки, и тема надолго ушла в тень. Новый успех может вернуть к жизни эти старые идеи на совершенно новом уровне.

«Мы догадывались, что такая связь может быть, но всё равно были приятно удивлены, когда получили точное выражение», — говорит Регула.

Правда, применять это открытие на практике пока рано. Чтобы увидеть эффект, потребуется управлять сразу множеством квантовых состояний — гораздо большим числом, чем современные эксперименты могут себе позволить. Но сам факт, что теория опережает практику, в данном случае — хороший знак. Ведь теперь у инженеров и экспериментаторов есть чёткая цель, к которой можно стремиться.