В эксперименте, проводимом специалистами ФИАН и Российского квантового центра, авторы реализуют действие на расстоянии с помощью частичного измерения над одним из двух объектов, находящихся в перепутанном квантовом состоянии. Характерно, что частичное измерение не влечёт коллапса квантового состояния, а лишь приводит к его изменению. Об этом рассказал в своём докладе представитель рабочей группы, аспирант ФИАН Илья Фёдоров.

    Парадокс «нелокальности» является одним из ярких проявлений квантовой теории и продолжает оставаться популярной темой для постановки новых экспериментов. С самого начала формулировки квантовых законов, когда в теории появились перепутанные квантовые состояния взаимодействующих объектов, у критиков квантовой физики (к числу которых принадлежал и А. Эйнштейн) появился аргумент о возможной «нелокальности» теории. Сегодня проведено немало экспериментов с демонстрацией перепутанных состояний и «нелокальности». В них используются процедуры полного измерения характеристик одной из перепутанных подсистем. При этом, квантовое состояние «коллапсирует», изменяя состояние второй (удалённой на расстояние) подсистемы.

    В новом эксперименте реализуется действие на расстоянии с помощью оператора уничтожения фотонов, применённого к одной из частей распределённого оптического состояния. В отличие от прежних экспериментов, особенностью нового подхода является то, что оператор уничтожения фотонов не приводит к коллапсу квантового состояния, а лишь изменяет его.

    Интуитивно можно было бы ожидать, что это изменение будет носить локальный характер, т.е. присутствовать только в той моде света, к которой оператор применён. Однако было показано как теоретически, так и экспериментально, действие оператора уничтожения иногда является тотальным, так как удаляет фотон из всего распределённого состояния.

Рисунок 1: Схема моделирования эффекта квантового вампира

   На рисунке 1: Когда состояние  в моде света, определяемой оператором уничтожения â, распределено между двумя удалёнными сторонами, применение оператора уничтожения фотонов â₁ в одной из сторон действует на состояние  тотально. Это может быть проверено, например, при анализе интерференции результирующих состояний мод â₁ и â₂ на другом светоделителе.

Рисунок 2: Принцип возникновения эффекта квантового вампира

    На рисунке 2 показана возможная реализация эффекта с помощью облака поглощающих атомов. Регистрация единичного переизлучённого фотона сигнализирует об уничтожении фотона в моде, определяемой формой облака, и запускает запись изображения на камере. Вычитание фотона не приведёт к появлению тени от облака на выходном квантовом состоянии, так что распределение интенсивности в нём (оранжевая линия) не изменится. Эта ситуация контрастирует с обычным линейным поглощением, которое приводит к появлению тени на экране (синий пунктир).

    Руководитель Отделения оптики ФИАН, доктор физ.-мат. наук Анатолий Викторович Масалов дал следующий комментарий по представленной работе.

    «Экспериментальная работа И. Федорова и его коллег посвящена демонстрации любопытного эффекта – проявлению «нелокального» действия так называемого частичного измерения над квантовым объектом. Понятие «нелокальности» появилось в квантовой физике для обозначения важного свойства так называемых перепутанных состояний квантовых объектов. Когда два объекта (например, два фотона или два световых пучка) взаимодействуют друг с другом, и в результате их квантовые состояния оказываются перепутанными (т.е. взаимосвязанными), взаимосвязь сохраняется при разведении объектов на произвольное расстояние. Стоит после этого произвести измерение характеристик одного из объектов, как «мгновенно» появятся сведения о соответствующей характеристике второго объекта еще до всякого измерения над ним. Как второй объект «узнает», что в измерении над его парой получено определенное значение измеряемой переменной, и измерение над вторым объектом должно дать определенный результат? Здесь возникает соблазн приписать квантовым объектам «нелокальное» взаимодействие, которое якобы существует между объектами в перепутанном квантовом состоянии и которое «мгновенно» (со сверхсветовой скоростью) передает сведения о результате измерения над одним объектом другому. А. Эйнштейн пытался разрешить данный парадокс на языке скрытых переменных. Это как для пары ботинок, разъехавшихся в разные города. Если хозяин пары ботинок, сойдя с поезда, забыл один из ботинков в вагоне, и забытый ботинок уехал в другой город, то взглянув на оставшийся ботинок, хозяин точно предскажет, какой ботинок уехал – правый или левый. Здесь роль «скрытого параметра» играет характеристика ботинка – правый и левый. У квантовых объектов скрытых параметров нет. Поэтому взаимосвязь перепутанных квантовых объектов выглядит парадоксальной для нашего бытового мышления.

    Особенность эксперимента И. Фёдорова с коллегами состоит в том, что над одним из пары перепутанных квантовых объектов производится не полное измерение, а частичное, когда остается неопределенность в измеряемой характеристике (вампир выпивает не всю кровь жертвы). Тем не менее, второй квантовый объект «реагирует» на результат частичного измерения над первым, что и демонстрирует эксперимент. Проведение подобного эксперимента является очередным шагом на пути создания квантовых вычислителей. Кроме того, подобные схемы могут оказаться полезными для инженерии квантовых состояний, где сигнал частичного измерения может быть использован для направленного воздействия на квантовое состояние второго объекта».

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»