Физики составили полную статистику квантовой запутанности: Загадка Эйнштейна решена?

Представьте себе две монетки. Вы их подбрасываете, и каждая падает либо орлом, либо решкой. Случайно. А теперь представьте, что эти монетки как-то связаны: если одна упала орлом, другая — где бы она ни была, хоть на другом конце галактики! — мгновенно тоже падает орлом. Звучит как фокус? А вот для квантового мира такая «жуткая связь на расстоянии», как называл её Эйнштейн, — обычное дело. Имя ей — квантовая запутанность. Именно она — моторчик так называемой второй квантовой революции, которая обещает нам супермощные компьютеры и абсолютно защищенную связь. Но чтобы всем этим пользоваться, нужно досконально понимать правила игры. И вот тут недавно случился настоящий прорыв!

Что такое запутанность и почему она «странная»?

Так что же это за зверь такой, запутанность? Если совсем просто, то это когда два (или больше) квантовых объекта, например, фотончика света, рождаются или взаимодействуют так, что становятся единым целым. У них общая «судьба», даже если их потом разделить огромным расстоянием. Измеришь свойство одного — скажем, поляризацию (это как направление колебаний световой волны) — и мгновенно узнаешь, каким будет результат измерения у второго.

И вот тут начинается самое интересное. Результаты этих измерений показывают корреляции — связи — куда более сильные, чем допускает наша привычная, классическая логика. Это не просто как две одинаковые перчатки из пары. Это что-то гораздо более глубокое и, честно говоря, до сих пор не до конца интуитивно понятное. Эти странные корреляции настолько особенные, что проходят знаменитый тест Белла. А это значит, что их нельзя объяснить никакими «скрытыми инструкциями», которые объекты могли бы получить заранее. Нет, связь устанавливается как бы поверх пространства и времени. Неудивительно, что за экспериментальное доказательство этого физикам Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру вручили Нобелевскую премию в 2022 году. Это действительно фундаментальное свойство нашей реальности.

Измеряем не глядя: магия квантовой статистики

Но квантовые корреляции — это не только пища для ума философов и физиков-теоретиков. У них есть и вполне практическое применение. Оказывается, по одной лишь статистике результатов измерений — просто глядя на циферки, которые выдает прибор, — можно многое узнать о самой квантовой системе. И даже больше! Можно узнать, насколько случайны полученные результаты.

Представьте: у вас есть некое квантовое устройство, эдакий «черный ящик». Вы не знаете, как оно устроено внутри, может, там вообще сидит маленький гномик и подтасовывает результаты. Но если статистика измерений, которые вы проводите на выходе этого ящика, соответствует определенным квантовым законам, вы можете быть уверены: результаты действительно случайны, а устройство работает как надо, используя настоящую квантовую магию. Этот подход называется «самотестированием» (self-testing), и он невероятно важен. Почему? Потому что он позволяет проверять квантовые «железки» — процессоры, каналы связи — не полагаясь на честное слово производителя. Надежность — вот что главное!

Не только «всё или ничего»: загадка частичной запутанности

Долгое время физики хорошо понимали и умели описывать только крайний случай — максимально запутанные состояния. Это как если бы наши связанные монетки всегда-всегда падали одинаково. Но в реальном мире всё сложнее. Запутанность бывает разной степени — сильной, слабой, частичной. Как будто монетки связаны, но не на 100%: иногда одна орлом, другая решкой. Описать все возможные статистики, все виды корреляций, которые могут возникнуть в таких «неидеальных» случаях, оказалось гораздо более трудной задачей. Это как пытаться составить полную карту местности, имея на руках только описание самых высоких гор и самых глубоких впадин, а всё, что между ними — туман войны.

Парижский ключ к квантовому шифру

И тут на сцену выходят теоретики Виктор Баризьен и Жан-Даниэль Банкаль из Института теоретической физики в Париж-Сакле. Им удалось найти тот самый ключ к полной карте квантовых корреляций, по крайней мере, для базового случая — двух запутанных кубитов (кубит — это квантовый аналог бита, основной единицы информации).

Как они сами говорят, идея была «изящная, но труднообъяснимая». Если не вдаваться в дебри математики, то они нашли способ связать статистику, получаемую от частично запутанных состояний, с тем, что уже было известно про состояния максимально запутанные. Нашли некое математическое преобразование, которое позволило «перевести» одно в другое и наоборот. Это как если бы они нашли универсальный словарь для всех «диалектов» квантовой связи между двумя частицами.

Что это дало? А то, что теперь физики могут точно сказать: вот этот набор статистических данных может быть получен из квантовой системы с такой-то степенью запутанности и такими-то измерениями, а вот этот — нет, он лежит за пределами того, что позволяет квантовая механика. По сути, они составили полный «справочник» всех возможных квантовых статистик для двух кубитов. Это большое дело!

Что дальше? От теории к практике (и обратно)

Казалось бы, ну описали теоретики какие-то там статистики, что с того? А последствия, знаете ли, могут быть весьма ощутимыми.

Во-первых, это фундаментальный результат. Он помогает лучше понять границы самой квантовой теории. Теперь мы точнее знаем, какие экспериментальные результаты в принципе возможны в нашем мире, если он подчиняется квантовым законам, а какие — нет. Это как уточнить правила игры, по которым играет Вселенная.

Во-вторых, и это, пожалуй, даже важнее для нас с вами, открываются новые горизонты для практики. Полное знание статистики запутанности позволяет создавать гораздо более надежные и универсальные тесты для любых квантовых устройств. Представьте, можно будет проверить работу квантового компьютера или защищенность канала квантовой связи, просто анализируя данные на выходе, в реальном времени! Не нужно будет разбирать устройство или верить сложным спецификациям, которые со временем могут устареть. Это открывает дорогу к новому поколению протоколов квантового тестирования, более безопасной квантовой криптографии и, возможно, даже к более эффективным квантовым вычислениям.

Заглядывая за горизонт

Так что работа парижских физиков — это не просто еще одна формула в учебнике. Это элегантное решение давней проблемы, которое не только углубляет наше понимание одного из самых загадочных явлений природы, но и дает в руки инженерам мощный инструмент для строительства квантового будущего. Кто знает, может быть, именно благодаря этому открытию квантовые технологии станут для нас такой же обыденностью, какой сегодня являются лазеры или транзисторы? Поживем — увидим. Но одно ясно: квантовый мир продолжает преподносить сюрпризы, и расшифровка его законов — одно из самых захватывающих приключений современной науки.