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 этой концепции 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 до сих пор успешно проходила все проверки. Однако поведение квантовой физики в сочетании с теорией гравитации Эйнштейна — общей теорией относительности — менее понятно.
В теории Эйнштейна гравитация — это 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, общая теория относительности или обе теории потребовать модификации в местах их пересечения? Хотя полная теория квантовой гравитации пока отсутствует, есть предположения, что квантовые принципы могут меняться в присутствии искривлённого пространства-времени. Однако исследование этой границы 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 конкретных состояниях, но и в их смесях одновременно. Квантовые вычисления используют этот факт для создания кубитов — суперпозиций битов 0 и 1.
Квантовые сети могут распространять такие кубиты на большие расстояния. Но в окрестностях Земли эти кубиты также будут подвержены влиянию искривлённого пространства-времени, потому что само течение времени меняется.
Исследователи показали, что суперпозиции атомных часов в квантовых сетях будут фиксировать разные потоки времени в суперпозиции, и это открывает возможность исследовать взаимосвязь квантовой теории и искривлённого пространства-времени.
«Взаимодействие между квантовой теорией и гравитацией — одна из самых сложных и увлекательных проблем в физике сегодня», — говорит Игорь Пиковски, доцент Технологического института Стивенса и один из авторов. «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, так 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 предоставляют уникальные возможности для изучения фундаментальной физики, которые невозможно достичь с помощью классических датчиков. По крайней мере, теперь возможно проверить, как квантовая механика ведёт себя в искривлённом пространстве-времени.