Открытие квантовой запутанности — революционный шаг вперед • Earth.com

Команда исследователей из Лаборатории структурированного света в Университет ВитватерсрандаЮжная Африка добилась значительного прогресса в вопросе квантовой запутанности.

Под руководством профессора Эндрю Форбса в сотрудничестве с известным исследователем струн Робертом де Мелло Кохом, который сейчас работает в Университет Хучжоу В Китае команда успешно продемонстрировала новый способ манипулирования квантово-запутанными частицами без изменения их внутренних свойств.

Этот подвиг представляет собой огромный шаг в нашем понимании и применении квантовой запутанности.

Топология в квантовой запутанности

«Мы добились этого, запутав два одинаковых фотона и присвоив им общую волновую функцию, — объясняет Педро Орнелас, студент магистратуры и ведущий автор исследования. — Этот процесс делает их коллективную структуру, или топологию, ясной только тогда, когда они рассматриваются как единое существо».

Этот эксперимент вращается вокруг концепции квантовой запутанности, которую называют «жутким действием на расстоянии», когда частицы влияют на состояния друг друга, даже если они разделены огромными расстояниями.

Топология играет решающую роль в этом контексте. Это гарантирует сохранение определенных свойств, подобно тому, как кофейная чашка и пончик топологически эквивалентны из-за их единственного неизменного отверстия.

«Наши запутанные фотоны похожи», — объясняет профессор Форбс. «Их переплетение гибкое, но некоторые свойства остаются постоянными».

В исследовании конкретно рассматривается топология Скирмиона — концепция, предложенная Тони Скирмионом в 1980-х годах. В этом сценарии топология относится к общему свойству, которое остается неизменным, например к текстуре ткани, независимо от того, как с ней обращаются.

Приложения квантовой запутанности

Скирмионы, которые первоначально изучались в магнитных материалах, жидких кристаллах и их оптических аналогах, получили высокую оценку в физике конденсированного состояния за их стабильность и потенциал в технологии хранения данных.

«Мы стремимся достичь подобных преобразующих эффектов с помощью наших квантово-запутанных скирмионов», — добавляет Forbes. В отличие от предыдущих исследований, которые ограничивали расположение скирмионов одной точкой, это исследование представляет собой сдвиг парадигмы.

Как говорит Орнелас: «Теперь мы понимаем, что топология, традиционно рассматриваемая как локальная, на самом деле может быть нелокальной, разделяемой между пространственно разделенными объектами».

Соответственно, команда предлагает использовать топологию как систему классификации запутанных состояний. Доктор Исхак Наиб, соавтор исследования, сравнивает это с алфавитом запутанных состояний.

«Подобно тому, как мы различаем поля и пончики по их отверстиям, наши квантовые скирмионы можно классифицировать по их топологическим особенностям», — объясняет он.

Ключевые идеи и будущие исследования

Это открытие открывает двери для новых протоколов квантовой связи, которые используют топологию как средство обработки квантовой информации.

Такие протоколы могут произвести революцию в том, как информация кодируется и передается в квантовых системах, особенно в сценариях, где традиционные методы шифрования не работают из-за минимальной запутанности.

Суть в том, что важность этого исследования заключается в возможности его применения на местах. На протяжении десятилетий поддержание взаимосвязанных государств было серьезной проблемой.

Результаты команды показывают, что топология может оставаться неизменной даже при распаде запутанности, обеспечивая новый механизм шифрования для квантовых систем.

Профессор Форбс завершает свое прогнозное заявление, говоря: «Теперь мы готовы определить новые протоколы и исследовать широкий ландшафт нелокальных квантовых состояний, которые могут революционизировать наш подход к квантовой коммуникации и обработке информации».

Подробнее о квантовой запутанности

Как обсуждалось выше, квантовая запутанность — увлекательное и сложное явление в мире квантовой физики.

Это физический процесс, в котором пары или группы частиц создают, взаимодействуют или разделяют пространственную близость таким образом, что квантовое состояние каждой частицы не может быть описано независимо от состояния других частиц, даже если частицы разделены промежутком. большое расстояние. .

Открытие и исторический контекст

Квантовая запутанность была впервые выдвинута в 1935 году Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном. Они предложили парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР), ставящий под сомнение полноту квантовой механики.

Эйнштейн, как известно, называл запутанность «жутким действием на расстоянии», выражая дискомфорт в связи с идеей о том, что частицы могут мгновенно влиять друг на друга на огромных расстояниях.

Принципы квантовой запутанности

В основе квантовой запутанности лежит концепция суперпозиции. В квантовой механике такие частицы, как электроны и фотоны, существуют в состоянии суперпозиции, то есть они могут находиться в нескольких состояниях одновременно.

Когда две частицы запутаны, они связаны таким образом, что состояние одной (будь то спин, положение, импульс или поляризация) мгновенно связано с состоянием другой, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.

Квантовая запутанность в вычислениях и коммуникациях

Квантовая запутанность бросает вызов классическим представлениям о физических законах. Это указывает на то, что информация может передаваться быстрее скорости света, что противоречит теории относительности Эйнштейна.

Однако это не означает, что полезная информация передается немедленно, что нарушило бы причинно-следственную связь; Скорее, это подразумевает глубокую взаимосвязь на квантовом уровне.

Одно из наиболее интересных применений квантовой запутанности находится в области квантовых вычислений. Квантовые компьютеры используют запутанные состояния для выполнения сложных вычислений со скоростью, недостижимой для классических компьютеров.

В квантовой связи запутанность является ключом к разработке высокозащищенных систем связи, таких как квантовая криптография и квантовое распределение ключей, которые теоретически невосприимчивы к взлому.

Эмпирическая проверка и текущие исследования

С момента своего теоретического создания квантовая запутанность была экспериментально доказана несколько раз, что подчеркивает ее странную и противоречивую природу.

Самыми известными являются тестовые эксперименты Белла, которые предоставили важные доказательства против локальных теорий скрытых переменных и в пользу квантовой механики.

Короче говоря, квантовая запутанность, краеугольный камень квантовой механики, остается предметом интенсивных исследований и дискуссий. Его загадочная природа бросает вызов нашему пониманию физического мира и открывает путь для потенциально революционного развития технологий.

По мере продвижения исследований мы можем найти больше практических применений для этого странного явления, открывая больше тайн квантовой вселенной.

Полная версия исследования опубликована в журнале Природная фотоника.

—–

Понравилось то, что я прочитал? Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать интересные статьи, эксклюзивный контент и последние обновления.

Посетите нас в EarthSnap, бесплатном приложении, созданном Эриком Раллсом и Earth.com.

—–