Физики телепортировали массивную частицу на расстояние в один метр

Физикам удалось квантово телепортировать ион иттербия на расстояние в один метр. Хотя телепортацией фотонов на сотни и даже тысячи километров в наши дни уже не удивишь, рекорд для массивных частиц до сих пор составлял всего несколько микрон. Раньше та же группа учёных смогла осуществить первый шаг этого процесса – квантовое запутывание двух ионов, однако до передачи состояния дело тогда не дошло.

Учёные из университетов американских штатов Мериленд и Мичиган под руководством Стивена Ольмшенка смогли передать квантовое состояние от одного иона иттербия к другому, находящемуся на расстоянии в один метр, с помощью нескольких фотонов и явления обмена квантовым запутыванием между частицами. Работа учёных опубликована в последнем номере Science. Пока эффективность использованного процесса очень невелика – из миллиарда попыток в среднем лишь 22 заканчиваются передачей состояния, однако в будущем такой процесс поможет построению квантовых сетей – в своём гипотетическом квантовом компьютере информацию удобнее записывать в состоянии частиц, а передавать на большое расстояние её лучше с помощью квантов света.

Квантовая телепортация не включает физического перемещения частицы, это лишь передача её квантового состояния. Однако поскольку все одинаковые частицы принципиально неразличимы, а квантовое состояние определяет все её свойства, то передача состояния эквивалентна перемещению. Принципиально, никто не мешает передать от одного телепорта к другому, скажем, бутерброд с колбасой, если он сам над собой не производит измерений: в конце концов, бутерброд – это состояние очень большой системы электронов, протонов и нейтронов. Правда, пока о технической возможности такой телепортации не приходится и мечтать. Более того, существует теорема о невозможности квантового клонирования, и чтобы телепортировать бутербродное состояние одной системы частиц, придётся разрушить первый бутерброд.

Американские учёные подготовили в двух отдельных ловушках два иона, неизвестное состояние одного из которых нужно было передать другому, находящемуся изначально в известном состоянии. После этого два лазерных импульса заставили ионы испустить два фотона, энергия которых зависит от исходного состояния иона. Поскольку изначально один из ионов был в неизвестном состоянии, то в неизвестном же состоянии находится и один из фотонов. Однако благодаря однозначной связи между энергией фотона и состоянием иона, фотон и ион оказываются запутанными – не существует такого состояния двух частиц по отдельности, которое было бы эквивалентно состоянию их системы в целом.

Дальше два фотона отправлялись по световодам в интерферометр, где над ними проводилось измерение, не разделяющее две частицы (собственно, из-за необходимости провести одновременное измерение эффективность процесса настолько низка). При этом запутанность передаётся от системы «ион-фотон» к системе «ион-ион». Ну а дальше используется стандартный протокол – над передаваемым ионом производится измерение, и в зависимости от его результата ко второму иону применяется коррекция (облучение фотоном определённой частоты), после которой он оказывается в исходном состоянии первого иона. Именно последний шаг и описан в новой работе – всё остальное удалось продемонстрировать ранее, однако на его реализацию и подтверждение ушло почти полтора года.