Фізики візуалізували квантовий інь-ян в експерименті з заплутаним світлом

Ніколи не кажіть, що вчені не бачать піднесеного.

Закодувавши і розшифрувавши китайський символ дуальності і гармонії у квантові стани двох заплутаних фотонів, фізики нещодавно продемонстрували неперевершену ефективність нової аналітичної техніки.

Дослідники з Римського університету “Сапієнца” та Університету Оттави в Канаді використали метод, подібний до популярної голографічної техніки, щоб швидко і надійно виміряти інформацію про положення частинки.

Вдосконалюючи існуючі методи фіксації критично важливих деталей про різні стани заплутаних частинок, команда сподівається надати інженерам нові обчислювальні та візуалізаційні інструменти, які складають основу квантових технологій.

Окремі фотони, як і будь-які інші частинки, найкраще описуються як повільно еволюціонуючий діапазон можливостей до того, як вимірювання дасть їм тверді, фактичні числа. Поляризація, спін, імпульс, навіть їхнє положення є такими ж невизначеними, як монета, що падає в повітрі, доки метафорична рука не приведе її в єдиний стан.

Якщо два фотони мають спільну історію – як дві монети, витягнуті з одного гаманця, – то ляснути один з них так само добре, як зупинити інший на півдорозі. Хоча вони й переплетені, знаючи щось про один з них, ви отримаєте уявлення про інший так, наче його теж ляснули на місце.

Основи цієї азартної гри формують саму основу квантових комп’ютерів. Численні переплутані частинки, які називаються кубітами, можуть мати один зі своїх станів, який швидко відповідатиме на спеціально сформульовані математичні запитання.

Але навіщо використовувати лише один стан, коли частинки мають так багато невизначених характеристик на вибір, перетворюючи прості двовимірні кубіти на “багатовимірні” кубіти?

Щоб побудувати більш складну картину частинки, фізики можуть вжити низку заходів, подібно до того, як кілька рентгенівських променів використовуються для побудови тривимірної картини тіла в комп’ютерній томографії.

Однією з головних проблем адаптації квантової томографії для зчитування численних вимірів частинки є необхідна робота. Зі збільшенням кількості станів, що зчитуються, кількість вимірювань стрімко зростає, що забирає час і різко збільшує ризик помилок.

Біфотонна цифрова голографія може це змінити. Подібно до того, як звичайні голограми дозволяють нам отримувати тривимірну інформацію з двовимірної поверхні, можна використовувати інтерференцію хвиль для швидкого і точного зчитування додаткових вимірів за кількома деталями, що переносяться між парою фотонів.

Фізики вже використовують інтерференцію заплутаних частинок для мапування прихованих об’єктів у так званому “примарному зображенні”. Знаючи достатньо про позиціювання одного фотона, відправленого вниз по одному шляху, можна дізнатися секрети подорожі його партнера по другому проходу, накладаючи їхні хвилі одна на одну.

Застосовуючи прийоми голографії, дослідники змогли прочитати позиційну інформацію в інтерференції двох розділених світлових хвиль, відновивши достатньо інформації, щоб відтворити символ інь і янь, запрограмований в апараті, що генерує фотони.

Яким би простим не виглядав інь-ян, це єдине статичне зображення являє собою значний стрибок у вимірюванні численних квантових станів за короткий проміжок часу.

“Цей метод є експоненціально швидшим за попередні методи, вимагаючи лише хвилин або секунд замість днів”, – каже фізик з Університету Оттави Алессіо Д’Ерріко (Alessio D’Errico).

“Важливо, що на час виявлення не впливає складність системи – це рішення давньої проблеми масштабування в проекційній томографії”.