Квантовая запутанность возможна с уже не существующими фотонами

Квантовой запутанностью называют взаимосвязь квантовых состояний двух разных частиц. Когда оказалось, что такая зависимость возможна для частиц, удаленных друг от друга на значительные расстояния, это удивило даже Эйнштейна, породив его горячие споры с Нильсом Бором. Тем не менее, удалось обнаружить еще более удивительное свойство явления запутанности. Йоахим фон Зантер из Университета Эрлангена-Нюрнберга (Германия) с коллегами описали, как запутанность может проявиться на частицах, никогда не существовавших одновременно. И вот теперь Агей Эйзенберг из Еврейского университета Иерусалима (Израиль) и его коллеги провели демонстрирующий это эксперимент, посредством процесса, известного как обмен запутанностями (entanglement swap).

Если в двух парах запутанных фотонов взять по одному из каждой пары и запутать их между собой, это разъединит первоначальные пары и создаст второе новое запутывание между двумя освободившимися фотонами. Группа Эйзенберга использовала этот феномен для запутывания нового фотона с уже не существующим.

Они начали с запутанной пары фотонов, 1 и 2, и замерили квантовое состояние фотона 1, что разрушило его. Спустя 100 наносекунд была создана вторая пара запутанных фотонов, 3 и 4. Затем ученые запутали фотон 2 с новым фотоном 3; при этом фотон 4 оказался запутан с уже "погибшим" фотоном 1. Это было выяснено путем определения квантового состояния фотона 4, которое взаимосвязано с состояниями 1, 2 и 3. "Без понятия запутанности это невозможно объяснить, – говорит фон Зантер, участвовавший в новом эксперименте. – Фотон из будущего, еще не родившийся, подвергся влиянию фотона, который уже умер". Полученный результат значим для квантовой криптографии, где запутанные фотоны используются для доставки секретных ключей к шифрам. Запутанность делает доставку безопасной, поскольку перехват фотона будет сразу же виден по его "напарнику". Обмен запутанностями позволяет растянуть такой процесс на огромные расстояния. К примеру, в Лондоне создается запутанная пара фотонов 1 и 2; затем фотон 2 пересылается в Париж, где производится обмен запутанностями с другой парой, 3 и 4. Теперь фотон 4 запутан с фотоном 1, оставшимся в Лондоне, и может быть послан в Берлин. Это создает квантовую связь между Берлином и Лондоном, хотя ни один фотон не преодолел расстояния между ними целиком. Процесс может быть продолжен дальнейшими обменами, вплоть до, скажем, Пекина. Но Лондон должен был хранить свои фотоны до завершения цепочки, что становится непросто при увеличении расстояний. Новый эксперимент показывает, что Лондон может «считать» свои фотоны еще до того, как пекинские будут созданы.