Квантовые физики праздновали в октябре, когда Нобелевский комитет присудил долгожданный премия по физике Алену Аспекту, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за их новаторские исследование квантовой запутанности. Но сообщество, конечно же, не почивает на лаврах, и с таким количеством других захватывающих событий в 2022 году трудно выделить лишь несколько основных моментов. Тем не менее, вот некоторые выдающиеся для нас результаты в области квантового зондирования, квантовой информации, квантовых вычислений, квантовой криптографии и фундаментальной квантовой науки.
В квантовой механике принцип делокализации утверждает, что квантовая частица может, в некотором смысле, находиться в нескольких местах одновременно. Между тем принцип запутанности утверждает, что квантовые частицы испытывают связь, которая позволяет состоянию одной частицы определять состояние другой даже на огромных расстояниях. В ноябре физики из JILA в Колорадо, США, использовали комбинацию запутывания и делокализации для подавления шума, который ранее делал невозможным определение ускорений ниже так называемого квантового предела. Этот предел задается квантовым шумом отдельных частиц и уже давно является существенным ограничением точности квантовых датчиков. Таким образом, преодоление этого является важным шагом вперед.
Отправка квантовой информации с одного узла сети на другой — непростая задача. Если вы кодируете информацию в фотонах, посылаемых по оптическому волокну, потери в волокне уменьшают точность сигнала до тех пор, пока он не станет нечитаемым. Если вместо этого вы используете квантовую запутанность для прямой телепортации информации, вы вводите другие процессы, которые, увы, также ухудшают сигнал. Добавление третьего узла в сеть, как физики из QuTech в Нидерландах сделал в 2021, только усложняет задачу. Вот почему так впечатляет, что исследователи QuTech продолжили свой предыдущий успех, телепортировав квантовую информацию от отправителя (Алисы) к получателю (Чарли) через промежуточный узел (Боб). Хотя точность передачи Алиса-Боб-Чарли составляла всего 71%, что выше классического предела 2/3, и для его достижения исследователям потребовалось объединить и оптимизировать несколько сложных экспериментов. Будут ли узлы Dave, Edna и Fred присоединяться к сети в 2023 году? Посмотрим!
Если из первых двух моментов в этом списке неясно, шум — огромная проблема в квантовой науке. Это верно как для вычислений, так и для датчиков и связи, поэтому исправление этих ошибок, вызванных шумом, так важно. Физики сделали несколько достижений на этом фронте в 2022 году, но одно из самых значительных событий произошло в мае, когда исследователи из Университета Инсбрука, Австрия, и Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена в Германии впервые продемонстрировали полный набор отказоустойчивых квантовых операций. Их квантовый компьютер с ионной ловушкой использует семь физических кубитов для создания каждого логического кубита, а также кубиты «флажка», сигнализирующие о наличии опасных ошибок в системе. Важно отметить, что версия системы с исправлением ошибок работала лучше, чем более простая версия без исправлений, что иллюстрирует возможности метода.
Информационная безопасность — это УТП квантовой криптографии, но безопасность информации зависит от самого слабого звена в цепи. В распределении квантовых ключей (QKD) одним из потенциально слабых звеньев являются устройства, используемые для отправки и получения ключей, которые уязвимы для обычных взломов (например, кто-то взломает узел и подделает систему), даже если сами ключи защищены от квантовые. Одной из альтернатив является использование аппаратно-независимой QKD (DIQKD), которая использует измерения неравенств Белла в парах фотонов, чтобы подтвердить, что процесс генерации ключей не был подделан. В июле две независимые группы исследователей впервые экспериментально продемонстрировали DIQKD — в одном случае, сгенерировав 1.5 миллиона запутанных пар Белла в течение восьми часов и используя их для генерации общего ключа длиной 95 884 бита. Хотя скорость генерации ключей должна быть выше, чтобы сделать DIQKD практичным для реальных зашифрованных сетей, доказательство принципа является ошеломляющим.
Все остальные запутанные частицы в этом списке идентичны: фотоны, запутанные с другими фотонами, ионы с другими ионами, атомы с другими атомами. Но в квантовой теории нет ничего, что требовало бы такого рода симметрии, и возникающий новый класс «гибридных» квантовых технологий фактически основан на смешении вещей. Входят исследователи под руководством Армин Файст из Института междисциплинарных наук им. Макса Планка в Германии, которые в августе показали, что могут запутать электрон и фотон, используя кольцеобразный оптический микрорезонатор и пучок высокоэнергетических электронов, проходящий через кольцо по касательной. У этой техники есть приложения для квантового процесса, называемого «предвестником», в котором обнаружение одной частицы в запутанной паре указывает на то, что другая частица доступна для использования в квантовой цепи — отличный пример того, как сегодняшние фундаментальные достижения приводят к завтрашним инновациям.
Сумка с квантовыми странностями
Наконец, по традиции (мы сделали это дважды, поэтому это традиция), ни один список квантовых достижений не будет полным без намека на все странное и ошеломляющее в этой области. Итак, давайте послушаем американских исследователей, которые использовали квантовый процессор для моделировать телепортацию информации через червоточину в пространстве-времени; группа в Италии и Франции, которая поставила точные цифры на неразличимость неразличимых фотонов; международная команда, которая использовала квантовые нарушения классической причинности для лучше понять природу причинно-следственной связи; и пара бесстрашных физиков из Эдинбургского университета, Великобритания, которые показали, что квантовые сигналы могут быть хорошим способом технологически продвинутые инопланетяне для установления контакта через межзвездные расстояния. Спасибо, что сохраняете квантовые странности!
