Физики сделали шаг к пониманию загадочного "жуткого" квантового состояния и его механизмов.

Квантовый свет продемонстрировал, что запутанность, способная неразрывно соединять две удаленные частицы, может быть равносильна столь же необычному квантовому свойству одной частицы. Это открытие может оказаться полезным для создания новых квантовых технологий и помочь физикам разобраться в том, почему частицы могут изначально находиться в состоянии квантовой запутанности. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, сообщает New Scientist.

Согласно словам ученых, квантовый мир работает способами, которые принципиально отличаются от привычных законов классической физики. Они исследовали два основных примера странного квантового поведения, известных как контекстуальность и нелокальность.

Контекстуальность подразумевает, что результат измерения квантового объекта зависит от того, какие другие измерения проводятся одновременно с ним. Нелокальность означает, что измерение свойств одного квантового объекта, например, частицы, может немедленно раскрыть информацию о другом объекте, даже если он находится на значительном расстоянии. Эту квантовую запутанность иногда называют "жутким действием на расстоянии", и физики до сих пор не пришли к единому мнению о том, как она функционирует.

Авторы нового исследования продемонстрировали, что одно из этих свойств может быть преобразовано в другое. Физики использовали пары квантово запутанных частиц света, или фотонов. Они поместили каждый фотон в квантовое состояние с комплексными вращательными свойствами: если бы эти фотоны были частью луча света, он бы закручивался в форме спирали.

Чем более закрученными становились фотоны, тем более сложными становились их квантовые состояния. На самом деле, им удалось создать квантовые состояния фотонов, имеющие до шести измерений, что значит, что фотон существовал бы в шестимерном квантовом пространстве.

Поскольку фотоны были квантово запутаны, физики знали, что они столкнутся с нелокальностью. Например, заставляя один из фотонов проходить через детектор, который изменял его свойства, ученые всегда немедленно получали информацию о соответствующих новых свойствах другого фотона, не прибегая к его измерению. Чтобы связать это с контекстуальностью, физики применили математический подход для преобразования между нелокальностью и контекстуальностью.

Ученые разработали формулу, в которую они могли подставлять свои измерения, чтобы проверить, работает ли преобразование. Физики обнаружили, что оно действительно работает. Таким образом, ученые продемонстрировали, что квантовая запутанность может иметь многомерный характер. Это открытие подтверждает давние предположения.

Авторы исследования отмечают, что взаимосвязь между контекстуальностью и нелокальностью не изучалась так тщательно, как квантовая запутанность, но может быть ключом к пониманию того, как функционирует это "жуткое" квантовое состояние.

Какой механизм позволяет двум квантово запутанным фотонам сохранять свои свойства связанными, даже находясь на большом расстоянии друг от друга? Этот эксперимент приближает ученых к ответу на один из ключевых вопросов квантовой физики.

Кроме того, новое исследование может иметь практические последствия. Физики полагают, что их результаты могут быть полезны для разработки технологий, таких как сверхзащищенная квантовая связь, эффективная квантовая криптография и некоторые виды квантовых вычислений.