Квантовая запутанность предполагает, что состояния двух или более объектов (например, элементарных частиц), полученных при определенных условиях, сохраняют взаимосвязь несмотря на отсутствие фундаментальных взаимодействий. Так, изменение квантового состояния одного запутанного фотона приводит к взаимозависимому изменению другого. Поскольку такая взаимозависимость не зависит от известных взаимодействий, феномен нарушает принцип локальности. Согласно ему, непосредственно на объекты влияет только их окружение, поэтому передача информации между, скажем, Пекином и Веной возможна лишь при наличии физического носителя, в частности электромагнитных волн.
Нарушения принципа локальности выявляются с помощью неравенств Белла. Теорема, инструментом которой они выступают, предусматривает, что отличить изменения, обусловленные некими скрытыми параметрами, от квантовой запутанности позволяет серийный эксперимент. Установить такие нарушения статистически удавалось уже не раз — для расстояний между частицами до ста километров. Однако ученых интересуют доступные пределы запутанности. Помимо значения для фундаментальной науки, обеспечение запутанности на больших дистанциях поможет в реализации защищенной квантовой связи и квантовой телепортации, необходимых для абсолютно безопасного обмена данными.
Увеличить масштабы запутанности на Земле трудно. Из-за дефектов оптоволокна и турбулентности в атмосфере пропускная способность канала определяется интенсивностью сигнала, снижаясь с каждым метром. При этом эксперименты с запутанностью, как правило, основаны на работе с одиночными фотонами: по расчетам авторов новой статьи, при длине оптоволоконной линии в 1200 километров частицы в случае наземной передачи будут достигать детекторов раз в 30 тысяч лет. Более предпочтительной считается передача сигнала в космосе. В 2016 году Китайская и Австрийская академии наук запустили на орбиту первый спутник квантовой связи «Мо-цзы» массой 600 килограммов.
Первые данные аппарат передал на Землю в августе, окончание тестирования и ввод в эксплуатацию состоялись в январе 2017 года. Теперь физики завершили обработку результатов: согласно отчету, спутник обеспечил запутанность на расстоянии более 1200 километров. Эксперимент был построен так. Кристалл, в котором рассеянные фотоны превращались в запутанные, на борту «Мо-цзы» генерировал порядка шести миллионов пар частиц в секунду. Посредством двух телескопов они направлялись к телескопам трех наземных обсерваторий, удаленных от источника фотонов на 500–1700 километров. Причем орбитальная скорость спутника составляла примерно восемь километров в секунду.
Таким образом, ученые зафиксировали более одной тысячи событий (одно на шесть миллионов), когда пары запутанных частиц достигали приемников. По их словам, наиболее существенные потери одиночных фотонов происходили в тропосфере, на уровне десяти километров над поверхностью планеты. Несмотря на новый рекорд и успешную демонстрацию технологии, низкая скорость передачи пока не позволяет говорить о ее практическом применении. Улучшить показатели планируется с помощью новых спутников квантовой связи, которые Китайская академия наук намерена запустить в ближайшие годы. В отличие от «Мо-цзы», они будут обладать более мощными источниками запутанных частиц.
Подробности исследования представлены в журнале Science.
Ранее китайские физики впервые реализовали протокол прямой защищенной квантовой связи с использованием квантовой памяти.
Наука
Денис Стригун
