Квантовые сети активно разрабатываются по всему миру. Это ключевая квантовая технология, которая позволит создать глобальный квантовый интернет: возможность развёртывания защищённой коммуникации в масштабе и подключения квантовых компьютеров по всему миру. Гонка за реализацией этого видения идёт полным ходом как на Земле, так и в космосе.
Новое исследование, проведённое Игорем Пиковски из Технологического института Стивенса, Джейкобом Кови из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и Йоханнесом Боррегардом из Гарвардского университета, показывает, что квантовые сети более универсальны, чем считалось ранее.
В статье под названием «Исследование искривлённого пространства-времени с помощью распределённых атомных процессорных часов», опубликованной в журнале PRX Quantum, исследователи показывают, что эта технология может исследовать, как искривлённое пространство-время влияет на квантовую теорию — это первый тест такого рода.
Квантовая физика прошла все испытания с отличными результатами. Но как она ведёт себя, когда вступает в игру теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности, — менее понятно.
В теории Эйнштейна гравитация — это уже не сила, а результат изменения пространства и времени — искривлённое пространство-время. Это приводит к уникальным эффектам, таким как замедление времени вблизи планет. Это явление было измерено и подтверждено с очень высокой точностью, а также популяризировано в научно-фантастических фильмах и романах, таких как «Интерстеллар».
Но как изменение течения времени влияет на квантовую механику? Может ли квантовая теория или общая теория относительности, или обе, потребовать модификации там, где они переплетаются? Хотя полная теория квантовой гравитации пока отсутствует, есть предположения, что квантовые принципы могут меняться в присутствии искривлённого пространства-времени. Однако исследование этого направления до сих пор было невозможно в экспериментах.
В предыдущем исследовании под названием «Проверка квантовой теории в искривлённом пространстве-времени с помощью квантовых сетей», опубликованном в Physical Review Research, Пиковски и Боррегард показали, что настало время для экспериментов по изучению этих вопросов с использованием квантовых сетей.
Они показали, как две уникальные, но разные особенности квантовой теории и гравитации вступают в игру одновременно. В квантовой теории существуют суперпозиции: материя может существовать не только в определённых состояниях, но и в их смесях одновременно. Квантовые вычисления используют этот факт для создания кубитов — суперпозиций битов 0 и 1.
Затем квантовые сети могут распространять такие кубиты на большие расстояния. Но вблизи Земли на эти кубиты также будет влиять искривлённое пространство-время, потому что само течение времени изменится.
Исследователи показали, что суперпозиции атомных часов в квантовых сетях будут фиксировать разные потоки времени в суперпозиции, и это открывает возможность исследовать, как квантовая теория и искривлённое пространство-время переплетаются.
«Взаимодействие между квантовой теорией и гравитацией — одна из самых сложных и увлекательных проблем в физике сегодня», — говорит Игорь Пиковски, доцент кафедры Джеффри С. Инмана в Технологическом институте Стивенса и один из авторов исследования. «Квантовые сети помогут нам впервые проверить это взаимодействие в реальных экспериментах».
В сотрудничестве с лабораторией Кови Пиковски и Боррегард разработали конкретный протокол. Команда показала, как квантовые эффекты могут быть распределены по узлам сети с помощью так называемых запутанных W-состояний и как записывается интерференция между этими запутанными системами.
Используя современные квантовые возможности, такие как квантовая телепортация (передача квантового состояния частицы другой частице) и запутанные пары Белла (максимально запутанные состояния двух кубитов) в массивах атомов, можно провести проверку квантовой теории в искривлённом пространстве-времени.
«Мы предполагаем, что квантовая теория действует везде, но мы действительно не знаем, правда ли это», — говорит Пиковски. «Возможно, гравитация меняет то, как работает квантовая механика. На самом деле некоторые теории предполагают такие модификации, и квантовые технологии смогут это проверить».
Результаты Пиковски, Кови и Боррегарда демонстрируют, что квантовые сети — это не только полезный практический инструмент для будущего квантового интернета, но и что они предоставляют уникальные возможности для изучения фундаментальной физики, которые невозможно достичь с помощью классических датчиков. По крайней мере, теперь возможно проверить, как ведёт себя квантовая механика в искривлённом пространстве-времени.
Предоставлено
[Технологический институт Стивенса](https://phys.org/partners/stevens-institute-of-technology/)