Splątanie kwantowe (technologicznie) rozplątane? Kluczowy dla komunikacji przyszłości problem bliżej rozwiązania

Jak wynika z publikacji, naukowcy mogli znaleźć sposób, by poradzić sobie z jednym kluczowych problemów stojących na drodze do powszechnej adopcji komunikacji kwantowej. Problem ten polegał na naturalnej niedokładności pomiarów stanów kwantowych. Mówiąc prościej, trudno było precyzyjnie mierzyć pola magnetyczne i elektryczne w różnych miejscach jednocześnie – i to być może własnie się udało. Kluczem jest zjawisko znane jako splątanie kwantowe.

Zjawisko to, w sporym skrócie, to fenomen zachowania atomów nim połączonych. W ramach takiego splątania dochodzi do wykształcenia się zbiorowiska cząsteczek fizycznych, które oddziałują na siebie. I to do tego stopnia, że ich stan kwantowy pozostaje opisywalny wyłącznie jako całość. Z punktu widzenia zastosowania w komunikacji największą rewelacją jest tutaj fakt, że stan ten do pewnego stopnia nie jest zależny od fizycznej odległości dzielącej połączone tym zjawiskiem atomy.

Oczywiście, by wykorzystać splątanie kwantowe w praktyce, droga jeszcze daleka. Wiąże się z tym bowiem szereg problemów. Do najważniejszych należy naturalna nieostrość pomiarów. Kluczowym wyzwaniem jest zatem minimalizacja tzw. szumu kwantowego w pomiarach wieloparametrowych, który ogranicza precyzję sensorów mierzących stany atomów. Jak ten problem rozwiązano? Na zimno – w sensie bardzo dosłownym.

Opublikowane badania uczonych z uniwersytetu w Bazylei wykazały, że możliwe jest zastosowanie splątanych chmur atomowych, rozdzielonych przestrzennie, do poprawy dokładności detekcji pól elektromagnetycznych. Technika ta opiera się na ultrazimnych atomach, zachowujących się jak wirujące magnesy, wrażliwe na zewnętrzne pola.

Ujarzmić splątanie kwantowe

Proces tworzenia splątania zaczyna się od schłodzenia atomów do temperatur bliskich zeru absolutnemu, co umożliwia formowanie pojedynczej chmury w stanie splątanym. Następnie chmura jest dzielona na do trzech odrębnych części, zachowując splątanie kwantowe po separacji. To zjawisko, analogiczne do korelacji w klasycznym paradoksie EPR, pozwala na skorelowane zachowanie atomów na odległość, bez wymiany informacji klasycznej. Opracowane ramy teoretyczne optymalizują estymację parametrów, minimalizując niepewność wynikającą z zasady nieoznaczoności Heisenberga w scenariuszach wieloparametrowych, poprzez wykorzystanie korelacji kwantowych.

W prowadzonych przez bazylejskich badaczy eksperymentach zmierzono przestrzenne wariacje pól elektromagnetycznych w odniesieniu do redukcji szumu kwantowego. Jednolite zakłócenia zewnętrzne, takie jak fluktuacje pola tła, ulegały wytłumieniu dzięki korelacjom między chmurami, podczas gdy efekty różnicowe – np. gradienty pola – były rejestrowane z wyższą rozdzielczością. Splątanie umożliwia jednoczesne osiągnięcie wyższej precyzji w odniesieniu do wielu parametrach, co przewyższa limity klasycznych sensorów. A technologiczne implikacje tej innowacji mogą być ciekawe.

Wdrożona mogą sprawić, że zegary atomowe będą stabilniejsze – wedle szacunków, może to prowadzić do redukcji wariacji położenia atomów, zwiększa stabilność częstotliwościową. Także czujniki grawitacyjne, wykorzystywane np. do szukania złóż surowców mineralnych czy pomiarów wnętrza Ziemi oraz nawigacji bezwładnościowej, mogą zyskać na precyzji dzięki ostrzejszej detekcji przestrzennych gradientów grawitacji Co oczywiste, rozsiane układy wykorzystujące splątanie kwantowe przydadzą się również w odpornej na próby złamania czy zakłócenie komunikacji kwantowej – nad którą prace cały czas trwają.