«Надприродна взаємодія на відстані» — так звучить знаменитий глузливий відгук Альберта Ейнштейна про концепцію квантової заплутаності (сплутаності, зчепленості), згідно з якою об’єкти можуть бути пов’язані між собою і миттєво впливати один на одного незалежно від відстані між ними. Сьогодні вчені припускають, що така надприродна взаємодія може тривати навіть після порушення заплутаності об’єктів.
В експериментах із квантовою заплутаністю — основою квантових обчислень і квантової криптографії — фізики використовують пари фотонів. Теоретично дії, які виконують з одним із них, миттєво впливають на інший, незалежно від того, як далеко один від одного вони перебувають. Рекордна відстань становить 144 км: від острова Пальма до Тенерифе (Канарські острови).
На практиці заплутаність — дуже нестабільний стан. Фонові збурення легко руйнують його, що згубно, зокрема, для квантових обчислень, оскільки їх можна виконувати лише доти, доки заплутаність зберігається. Однак фізик Сет Ллойд (Seth Lloyd) із Массачусетського технологічного інституту висунув припущення, що пам’ять про заплутаність може зберігатися. Він порівняв цей ефект із описаним у романі «Буремний перевал» Емілі Бронте (Emily Bronte), коли «примарна Кетрін спілкується зі своїм квантовим Гіткліфом, мов спалах світла з потойбічного світу».
Спрощена ілюстрація принципу квантової заплутаності. Умовні гральні кубики, що перебувають у такому зв’язку, при одночасному киданні давали б однакові, але при цьому, безсумнівно, випадкові значення (ілюстрація A. Franzen, Albert Einstein Institute).
Осяяння прийшло, коли Ллойд досліджував, що відбувається при використанні заплутаних між собою фотонів для освітлення. Можна припустити, що таке освітлення здатне підвищити якість отримуваних зображень. Наприклад, під час знімання зі спалахом імпульсна лампа випромінює світло, а зображення формується фотонами, відбитими від об’єкта знімання, але фотони, розсіяні іншими об’єктами (шумові), можуть погіршувати чіткість зображення. Якби лампа випромінювала заплутані фотони, то, як припускають, шумові фотони було б легше відфільтрувати, зіставляючи відбиті з парними їм, які слугували б опорними.
Однак з огляду на крайню нестабільність стану заплутаності Ллойд не сподівався, що таке квантове освітлення може працювати. «Я був у відчаї, — згадує він, — намагаючись отримати фінансування від Агентства передових оборонних досліджень (DARPA) у межах програми розроблення датчиків для отримання зображень в умовах сильних шумів». Хоч як дивно, коли розрахунки Ллойда показали, наскільки добре може працювати таке «квантове» освітлення, з’ясувалося, що воно не просто працює, а для використання всіх його можливостей необхідне повне руйнування заплутаності.
Дослідник визнає, що його висновок спантеличив не лише його самого. Фізик Прем Кумар (Prem Kumar) з Північно-Західного університету скептично ставився до переваг квантового освітлення, доки не побачив розрахунків Ллойда. «Зрозуміти це намагаються всі, але поки що запитань більше, ніж відповідей, — каже Кумар, — якщо заплутаність не зберігається, але вам здається, що ви отримуєте від неї користь, то, можливо, теоретикам доведеться з’ясувати, чи справді тут відіграє роль заплутаність, чи діє якийсь інший чинник».
Як можливе пояснення Ллойд висуває припущення, що навіть якщо технічно заплутаність двох фотонів буде повністю втрачена, то якийсь натяк на неї може зберігатися після вимірювання.
Ллойд припускає, що якщо квантове опромінення працює, то воно може в мільйони разів підвищити чутливість радіолокаційних і рентгенівських систем, оптичного зв’язку та мікроскопії, а також привести до створення приладів спостереження військового призначення, які буде вельми складно виявити, оскільки вони зможуть працювати з дуже слабкими сигналами.
Пропозиції щодо практичної реалізації квантового опромінення Ллойд і його колеги деталізували в статті, надісланій у 2008 р. для публікації в журналі Physical Review Letters і заснованій на теоретичній роботі, опублікованій у журналі Science 12 вересня 2008 р.
Однак довести існування цього ефекту може виявитися дуже важко. Найпростіший етап — створення заплутаних фотонів: для цього достатньо спрямувати світло на кристал — понижувальний перетворювач частоти, що відіграє роль світлоподільника. Він породжує окремі, але заплутані промені. Один промінь використовують для освітлення об’єкта, а інший слугує опорним. Відбитий і опорний промені потім об’єднують (пропускаючи їх через світлоподільник у зворотному напрямку). При цьому для заплутаних фотонів імовірність рекомбінації з утворенням фотона початкової частоти виявляється вищою, ніж для інших. Але для будь-якого експерименту з доведення того, що квантове освітлення може підвищити чутливість реєстрації зображень, доведеться використовувати дуже слабкі сигнали. А створення матеріалів, здатних здійснювати підвищувальне перетворення частоти слабких пучків із достатньою ефективністю, є неймовірно складним технічним завданням, каже Кумар.
Крім підвищення чутливості під час отримання зображень, розглядуваний ефект може принести користь квантовим обчисленням або квантовій криптографії, вважає Кумар.
Чарлз Чой
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):