Вчені склали повну статистику квантової заплутаності

Уявіть собі дві монетки. Ви їх підкидаєте, і кожна падає або орлом, або рішкою. Випадково. А тепер уявіть, що ці монети якось пов’язані: якщо одна впала орлом, інша — де б вона не була, хоч на іншому кінці галактики! — миттєво падає орлом. Звучить як фокус? А ось для квантового світу такий «жахливий зв’язок на відстані», як називав його Ейнштейн, — звичайна справа. Ім’я їй — квантова заплутаність. Саме вона — моторчик так званої другої квантової революції, яка обіцяє нам суперпотужні комп’ютери та абсолютно захищений зв’язок. Але щоб усім цим користуватися, потрібно досконало розуміти правила гри. І ось тут нещодавно стався справжній прорив!

Що таке заплутаність і чому вона дивна?

То що ж це за звір такий, заплутаність? Якщо зовсім просто, то це коли два (або більше) квантові об’єкти, наприклад, фотончика світла, народжуються або взаємодіють так, що стають єдиним цілим. Вони мають спільну «долю», навіть якщо їх потім розділити величезною відстанню. Виміряєш властивість одного — скажімо, поляризацію (це як напрям коливань світлової хвилі) — і миттєво дізнаєшся, яким буде результат виміру другого.

І ось тут починається найцікавіше. Результати цих вимірів показують кореляції — зв’язки — значно сильніші, ніж допускає наша звична, класична логіка. Це не просто як дві однакові рукавички із пари. Це щось набагато глибше і, чесно кажучи, досі не зовсім інтуїтивно зрозуміле. Ці дивні кореляції настільки особливі, що проходять знаменитий тест Белла. А це означає, що їх не можна пояснити жодними прихованими інструкціями, які об’єкти могли б отримати заздалегідь. Ні, зв’язок встановлюється як би поверх простору та часу. Не дивно, що за експериментальний доказ цього фізикам Олену Аспе, Джону Клаузеру та Антону Цайлінгеру вручили Нобелівську премію у 2022 році. Це справді фундаментальна властивість нашої реальності.

Вимірюємо не дивлячись: магія квантової статистики

Але квантові кореляції – це не лише їжа для розуму філософів та фізиків-теоретиків. Вони мають і цілком практичне застосування. Виявляється, за однією лише статистикою результатів вимірювань — просто дивлячись на циферки, які видає прилад, — можна дізнатися багато про саму квантову систему. І навіть більше! Можна дізнатись, наскільки випадкові отримані результати.

Уявіть: у вас є якийсь квантовий пристрій, такий собі «чорний ящик». Ви не знаєте, як воно влаштоване всередині, може там взагалі сидить маленький гномик і підтасовує результати. Але якщо статистика вимірювань, які ви проводите на виході цієї шухляди, відповідає певним квантовим законам, ви можете бути впевнені: результати дійсно випадкові, а пристрій працює як слід, використовуючи справжню квантову магію. Цей підхід називається «самотестуванням» (self-testing), і він неймовірно важливий. Чому? Тому що він дозволяє перевіряти квантові «залізки» — процесори, канали зв’язку — не покладаючись на слово честі виробника. Надійність – ось що головне!

Не тільки «все чи нічого»: загадка часткової заплутаності

Довгий час фізики добре розуміли та вміли описувати лише крайній випадок – максимально заплутані стани. Це ніби наші пов’язані монетки завжди-завжди падали однаково. Але в реальному світі все складніше. Заплутаність буває різного ступеня — сильного, слабкого, часткового. Начебто монетки пов’язані, але не на 100%: іноді одна орлом, інша решкою. Описати всі можливі статистики, всі види кореляцій, які можуть виникнути в таких «неідеальних» випадках, виявилося набагато важчим завданням. Це як намагатися скласти повну карту місцевості, маючи на руках лише опис найвищих гір і найглибших западин, а все, що між ними — туман війни.

Паризький ключ до квантового шифру

І тут на сцену виходять теоретики Віктор Баризьєн та Жан-Даніель Банкаль з Інституту теоретичної фізики в Парижі-Саклі. Їм вдалося знайти цей ключ до повної карти квантових кореляцій принаймні для базового випадку — двох заплутаних кубітів (кубіт — це квантовий аналог біта, основної одиниці інформації).

Як вони самі кажуть, ідея була «витончена, але важко зрозуміла». Якщо не вдаватися в нетрі математики, то вони знайшли спосіб пов’язати статистику, яка отримується від частково заплутаних станів, з тим, що вже було відомо про стани максимально заплутані. Знайшли якесь математичне перетворення, яке дозволило «перевести» одне в інше і навпаки. Це ніби вони знайшли універсальний словник для всіх «діалектів» квантового зв’язку між двома частинками.

Що це дало? А те, що тепер фізики можуть точно сказати: ось цей набір статистичних даних може бути отриманий з квантової системи з таким ступенем заплутаності і такими вимірами, а ось цей — ні, він лежить за межами того, що дозволяє квантова механіка. По суті вони склали повний «довідник» усіх можливих квантових статистик для двох кубитів. Це велика справа!

Що далі? Від теорії до практики (і назад)

Здавалося б, ну описали теоретики якісь там статистики, що з того? А наслідки, знаєте, можуть бути дуже відчутними.

По-перше, це є фундаментальним результатом. Він допомагає краще зрозуміти межі самої квантової теорії. Тепер ми точніше знаємо, які експериментальні результати в принципі можливі у нашому світі, якщо він підпорядковується квантовим законам, а які ні. Це як уточнити правила гри, за якими грає Всесвіт.

По-друге, і це, мабуть, навіть важливіше для нас із вами, відкриваються нові обрії для практики. Повне знання статистики заплутаності дозволяє створювати набагато більш надійні та універсальні тести для будь-яких квантових пристроїв. Уявіть, чи можна буде перевірити роботу квантового комп’ютера або захищеність каналу квантового зв’язку, просто аналізуючи дані на виході, в реальному часі! Не потрібно буде розбирати пристрій або вірити складним специфікаціям, які з часом можуть застаріти. Це відкриває шлях до нового покоління протоколів квантового тестування, безпечнішої квантової криптографії і, можливо, навіть до більш ефективних квантових обчислень.

Заглядаючи за обрій

Отже, робота паризьких фізиків — це не просто ще одна формула в підручнику. Це елегантне розв’язання давньої проблеми, яке не тільки поглиблює наше розуміння одного з найзагадковіших явищ природи, але й дає інженерам потужний інструмент для будівництва квантового майбутнього. Хто знає, можливо, саме завдяки цьому відкриттю квантові технології стануть для нас такою ж буденністю, якою сьогодні є лазери чи транзистори? Поживемо – побачимо. Але одне зрозуміло: квантовий світ продовжує подавати сюрпризи, і розшифровка його законів — одна з найзахоплюючих пригод сучасної науки.