«Инь и ян» квантовой физики: эксперимент, раздвинувший границы вычислительных технологий
Исследователи из Римского университета Сапиенца и Университета Оттавы в Канаде использовали метод, похожий на популярную голографическую технику, для быстрого и надежного измерения информации о положении частицы. Совершенствуя существующие методы регистрации важных деталей различных состояний запутанных частиц, команда надеется предоставить инженерам новые инструменты вычислений и визуализации, которые составляют основу квантовых технологий.
Квантовая запутанность
Отдельные фотоны, как и любую частицу, лучше всего описать как медленно развивающийся диапазон возможностей: он существует, прежде чем конкретное измерение даст частицам точные, фактические параметры. Поляризация, вращение, импульс и даже их положение так же нестабильны, как монета, падающая в воздухе, пока метафорическая рука не приведет ее в одно состояние.
Если два фотона имеют какую-то общую историю – как две монеты, вырванные из одного кошелька, то ударить один из них – это все равно, что остановить другой в полете. Какими бы запутанными ни были такие частицы, знание параметров одной даст вам представление о другой, как если бы они существовали в одной и той же точке пространства.
Основы этой азартной игры составляют саму основу квантовых компьютеров. У многочисленных запутанных частиц, называемых кубитами, одно из их состояний может быть считано таким образом, что это позволит быстро ответить на специально сформулированные математические вопросы.
Но зачем использовать только одно состояние, когда у частиц есть так много неопределенных характеристик, из которых можно выбирать, превращая простые двумерные кубиты в «многомерные» кудиты?
Чтобы построить более сложную картину частицы, физики могут предпринять ряд мер, точно так же, как несколько рентгеновских лучей используются для построения трехмерной картины тела в компьютерной томографии.
Одной из основных проблем, связанных с адаптацией квантовой томографии для захвата частиц различных размеров, является необходимая работа. По мере роста числа считываемых состояний измерения стремительно растут, что требует затрат времени и резко увеличивает риск ошибок.
Бифотоновая голография
Бифотонная цифровая голография может изменить ситуацию. Точно так же, как обычные голограммы позволяют нам получать трехмерную информацию с двумерной поверхности, можно использовать то, как волны интерферируют друг с другом, чтобы быстро и точно вывести дополнительные измерения всего лишь из нескольких деталей, переносимых парой фотонов.
Физики уже используют интерференцию запутанных частиц для картирования скрытых объектов в так называемой призрачной визуализации. Зная достаточно о положении одного фотона, посланного по одному пути, можно узнать секреты путешествия его партнера по второму пути, перекрывая их волны.
Применяя приемы голографии, исследователи смогли прочитать позиционную информацию при интерференции двух разделенных световых волн, восстановив достаточно информации, чтобы воссоздать символ инь и ян, запрограммированный в аппарате, генерирующем фотоны.
Каким бы простым ни выглядело сочетание инь и ян, это единственное статическое изображение представляет собой значительный скачок в измерении множества квантовых состояний за короткое время.
«Этот метод экспоненциально быстрее, чем предыдущие методы, и требует всего минут или секунд вместо дней, — заявил физик из Университета Оттавы Алессио Д'Эррико. — Важно, что на время обнаружения не влияет сложность системы – это решение давней проблемы масштабируемости в проекционной томографии».