Сотрудничество элементарных частиц: как работа в парах фотонов преодолевает квантовые ошибки

Вера Неф объясняет свою работу. Автор: Марко Кирш

Некоторые вещи легче достичь, если ты не один. Как показали исследователи из Ростокского университета (Германия), это вполне человеческое понимание применимо и к самым фундаментальным строительным блокам природы.

В самой своей основе квантовая механика постулирует, что всё состоит из элементарных частиц, которые нельзя разделить на ещё более мелкие единицы. Это заставило аспирантку Веру Неф, первого автора недавней публикации «Спаривание частиц в голономии», задуматься: «Что две частицы могут совершить, только работая в команде? Могут ли они совместно достичь того, что невозможно для одной частицы в одиночку?»

Как фотоны ведут себя в экспериментах

В своём экспериментальном исследовании учёные особенно интересовались фотонами — фундаментальными частицами света. «Фотоны обладают странным свойством. Два фотона могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. То, чего мы действительно не наблюдаем у многих других частиц», — объясняет доктор Том Волтеринк.

Доктор Маттиас Генрих говорит: «Мы используем мощный лазер для создания так называемых волноводов в стеклянном чипе». Эти волноводы можно понимать как скоростное шоссе для света. Подобно тому, как автомобиль может легко перестроиться на шоссе, фотон может перепрыгнуть с одного волновода на другой. Здесь общая форма «светового шоссе» определяет направление фотона.

Представим себе многополосную автомагистраль, где каждая полоса ведёт к разному пункту назначения, и автомобиль, перевозящий очень важное сообщение. Профессор Александр Самайт, руководитель отдела экспериментальной оптики твёрдого тела, объясняет значение их работы: «Чтобы в конечном итоге построить квантовый компьютер, мы должны уметь очень точно контролировать, куда направляются фотоны».

Повышение надёжности с помощью пар фотонов

Другими словами, то, по какому съезду фигуральный автомобиль покидает шоссе, имеет большое значение. Тем не менее, даже небольшие ошибки могут легко направить автомобиль не в ту полосу. Профессор Александр Самайт продолжает: «Фотоны довольно хрупкие. Даже лучшая инженерия не может гарантировать, что фотон никогда не окажется в неправильном волноводе».

«Наше решение — кодировать данные не в одном фотоне, а в паре фотонов — по сути, распределяя сообщение между двумя автомобилями», — с энтузиазмом объясняет Неф.

Хотя по отдельности у обоих автомобилей всё ещё есть шанс оказаться не в той полосе, если только один автомобиль прибывает в определённый пункт назначения, сообщение распознаётся как повреждённое и может быть быстро отброшено. Эта стратегия работает так хорошо, потому что вероятность того, что оба автомобиля случайно окажутся в одной и той же неправильной полосе, мала.

Неф комментирует: «Зная это, мы всё равно были очень удивлены тем, насколько стабильным оказалось наше устройство. Даже изменение его свойств на 10% едва повлияло на наши результаты измерений».

Более широкие последствия для квантовых исследований

Недавно опубликованное в журнале Science Advances исследование расширяет математическое понятие голономий с отдельных частиц на пары и даже более крупные группы частиц. Помимо закладки основы для будущих квантовых компьютеров, это исследование также может способствовать более глубокому пониманию фундаментальных частиц, из которых состоят атомы.

Некоторые вещи действительно легче достичь, работая вместе — даже в команде фотонов.

Источник: University of Rostock