Китайский квантовый спутник побил рекорд запутанности
Физики из Китайской академии наук сообщили о первых научных результатах миссии квантового спутника связи QUESS (иначе, «Мо-Цзы»). Аппарат обеспечил распределение запутанных фотонов на рекордно большое расстояние, свыше 1200 километров — это в 12 раз больше чем в предыдущих экспериментах. Эксперимент вновь подтверждает нарушение локальности запутанными частицами. В дальнейшем в планах миссии реализация квантовой спутниковой линии связи между Веной и Пекином и эксперименты по квантовой телепортации. Исследование опубликовано в журнале Science и попало на обложку нового выпуска.
Запутанные частицы — один из необычных объектов квантового мира. Они некоторым образом нарушают важное свойство классической физики — локальность мира. Это свойство означает, что событие в одной точке (скажем, в Москве) не может мгновенно повлиять на физическую действительность в другой точке (скажем, в Варшаве). Необходимо, чтобы информация об этом событии в каком либо виде — например, в качестве электромагнитных волн — достигла второй точки. Передача информации со скоростью большей скорости света запрещена специальной теорией относительности.
Если в некотором процессе рождается пара частиц, то их состояния взаимосвязаны между собой. Они ведут себя как единая система даже при разделении на большое расстояние. Измерение состояния одной частицы в паре изменяет систему в целом и, тем самым, моментально меняет физическую действительность для второй частицы в паре. Подробнее об этом можно прочитать в материале квантовой азбуки «Нелокальность».
Для проверки нарушений локальности используются неравенства Белла. По статистике эксперимента они могут показать, «договариваются» ли между собой запутанные частицы изначально о том, как реагировать на измерение, или же происходит моментальное и нелокальное изменение состояния частиц. Нарушения неравенств Белла были неоднократно продемонстрированы на масштабах вплоть до ста километров между запутанными частицами. Однако, как отметил руководитель миссии «квантового спутника» Пан Цзянь-Вэй, физиков интересует существование какого-либо предела масштабов.
Кроме фундаментального интереса, распределяя запутанные частицы на большие расстояния можно реализовать протоколы квантовой телепортации или прямой защищенной квантовой связи. Это необходимо для безопасной передачи данных.
Увеличить расстояние для передачи запутанных частиц на поверхности Земли достаточно трудно. С каждым новым метром оптического пути сигнал затухает, а большинство экспериментов основано на передаче одиночных фотонов. По оценкам авторов работы, для двух оптоволоконных плеч, каждое длиной 600 километров, оба запутанных фотона будут достигать детекторов с частотой 10-12 раз в секунду, или один раз в 30 тысяч лет. В космосе вероятность рассеивания фотона гораздо меньше — нет ни турбулентных образований в атмосфере, ни дефектов оптоволокна.
Расположение наземных станций
Juan Yin et al. / Science, 2017
С помощью космического аппарата «Мо-Цзы» физикам удалось распределить запутанные фотоны между парами обсерваторий, находившихся на расстоянии до 1203 километров. Эксперимент был устроен следующим образом. На космическом аппарате был установлен яркий источник запутанных фотонов — кристалл, в котором происходило спонтанное параметрическое рассеяние, превращение одного фотона в два с уменьшенной энергией. Источник формировал около шести миллионов пар запутанных фотонов в секунду. Затем фотоны пары отправляли с помощью двух телескопов к наземным обсерваториям: Дэлинха (Тибет), Наньшань (Урумчи) и Гаомеигу (Юньнань). Как телескопы спутника, так и телескопы-приемники требовали высокой точности наведения — «Мо-Цзы» двигался по орбите со скоростью около восьми километров в секунду.
По словам авторов, наибольшие потери одиночных фотонов происходят в нижних 10 километрах атмосферы Земли. Расстояния от спутника до наземных станций по прямой составляли от 500 до 1700 километров. В таких условиях физикам удалось собрать свыше 1000 событий, когда оба фотона запутанной пары достигали наземной обсерватории — примерно одно событие на шесть миллионов отправленных фотонных пар. Для проверки запутанности и нарушения локальности ученые анализировали взаимную поляризацию пар фотонов. Со статистической значимостью в четыре стандартных отклонения исследователи показали, что поляризация частиц оказывалась взаимно перпендикулярной чаще, чем того можно было ожидать в предположении локальности.
Ученые отмечают, что несмотря на успешную демонстрацию квантовой запутанности на таких огромных расстояниях, небольшая скорость распределения фотонов не позволяет говорить о практических применениях. Однако в ближайшие пять лет Китайская академия наук планирует запуск новых спутников, с более мощными пучками фотонов — их работе не будет мешать свет Солнца или Луны. Такие системы могут найти реальное практическое применение.
На следующих этапах миссии Пан Цзянь-Вэй планирует воспользоваться спутником для квантового распределения ключа — алгоритма создания ключа шифрования, защищенного от «подслушивания» законами квантовой механики. Сначала ключ будет распределен между китайскими обсерваториями, а в перспективе и между Китаем и Австрией. Кроме того, ученые планируют реализовать спутниковую квантовую телепортацию. В интервью журналу Natureфизик также упоминал о планах по распределению запутанных фотонов между Землей и Луной.
Помимо масштаба расстояний, на которых происходит нарушения локальности, физики также исследуют масштабы временных корреляций. Так, в 2016 году международный коллектив ученых использовал свет удаленных звезд в роли генератора случайных чисел. Это позволило устранить возможность того, что запутанные частицы могли «договориться» о поведении в эксперименте еще до их рождения.
Владимир Королёв