Сотрудники мадридского Института фундаментальной физики разработали схему запутывания пары кубитов без их взаимодействия.

«Мы выяснили, что в эксперименте можно запутать две системы, которые не взаимодействуют друг с другом и даже не обращаются одновременно к общему для них третьему элементу схемы, — поясняет участник исследования Карлос Сабин (Carlos Sabín). — Добиться такого результата позволяет использование корреляций, заключённых в вакууме квантового поля».

Говоря об этом, г-н Сабин ссылается на недавнюю работу австралийских теоретиков, доказавших, что вакуум безмассового скалярного поля содержит квантовые корреляции между световыми конусами прошлого и будущего.

«В глобальном масштабе вакуум — это ничто, но локально его можно представить в виде облака, которое состоит из множества пар частиц, очень быстро исчезающих и не поддающихся обнаружению, — продолжает испанец. — В квантовой теории поля рождение и уничтожение таких частиц интерпретируются как флуктуации. Если мы будем рассматривать разные области пространства или времени, эти квантовые флуктуации окажутся коррелированными».

Размышляя над тем, как можно «извлечь» хранимую вакуумом запутанность и «передать» её двум детекторам, физики придумали несколько схем, в которых детекторы взаимодействуют с полем либо одновременно, либо в разные промежутки времени. Хотя все эти предложения вполне разумны, реализовать их на практике было бы чрезвычайно сложно.

Рис. 1. Слева показан общий план эксперимента, а справа — кубит (верхняя петля) и две петли, связывающие его с полем. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Авторы, напротив, отыскали вариант, который без особых проблем переводится в практическую плоскость. В опыте они планируют использовать два сверхпроводящих кубита — пару микроразмерных колец, выполненных из сверхпроводящего материала и содержащих три контакта Джозефсона, обозначенных на рисунке красным. Согласно плану, первый кубит P будет взаимодействовать с вакуумом поля на временнóм интервале Тon, после чего, на промежутке Т_off, его «отключат» от поля. На следующем участке Т_on с полем начнёт взаимодействовать второй кубит F, а первый будет оставаться в изолированном состоянии.

Расчёты показывают, что

эта последовательность действий приводит к созданию запутанного состояния двух кубитов даже в тех случаях, когда им запрещается обмениваться фотонами. Другими словами, запутывание достигается именно за счёт передачи вакуумных корреляций.

Для наблюдения запутанного состояния в реальном эксперименте нужно будет выдерживать определённое расстояние между кубитами и обеспечить возможность быстрого «включения» и «выключения» взаимодействия кубита с полем. Чтобы выполнить последнее условие, испанцы ввели в схему дополнительные сверхпроводящие петли. Управляя магнитными потоками Φ₂ и Φ₃, пронизывающими эти петли, можно практически мгновенно разрывать связь кубита с полем.

Стоит добавить, что

описанная схема при её незначительной модификации позволяет создать интересное устройство, телепортирующее квантовое состояние во времени.

Первый участник модифицированного эксперимента должен произвести измерение над кубитами P’ (телепортируемым) и P в отмеченный на рисунке момент времени –t₁, когда взаимодействия с полем нет. Второй участник после момента t₂, используя информацию об измерении, сохранённую в классическом виде, проведёт необходимые манипуляции над F. В результате состояние P’ будет передано кубиту F.