Квантовая запутанность — явление, при котором фотоны, могут делить между собой квантовые свойства, включая информацию, вне зависимости от того, на каком расстоянии они находятся друг от друга. Именно квантовая запутанность лежит в основе работы квантовых компьютеров и квантовой криптографии. Но создавать запутанные состояния до сих пор было невероятно сложно. Согласно существующих методик, нужно было подготовить две пары запутанных фотонов, а затем провести так называемое измерение Белла — процесс, который заставляет две оставшиеся частицы запутаться, даже если они никогда не взаимодействовали напрямую. Этот механизм называется «обмен запутанностью» и может использоваться, например, в квантовой телепортации.
Новое исследование показало, что можно обойтись без сложных измерений и достичь запутанности гораздо более простым путем. Ученые использовали PyTheus — специализированный инструмент ИИ для разработки экспериментов в области квантовой оптики. Первоначально авторы работы хотели воспроизвести уже известные протоколы обмена запутанностью, но нейросеть предложила более эффективный и элегантный метод.
Система показала, что запутанность может возникнуть сама собой, если пути фотонов становятся неразличимыми. Когда у фотонов существует несколько возможных источников происхождения и они неразличимы между собой, это может привести к тому, что две частицы окажутся запутанными, даже если изначально они не взаимодействовали. Хотя ученые изначально скептически отнеслись к такому результату, алгоритм неизменно предлагал одно и то же решение. В итоге специалисты решили проверить теорию в ходе практического эксперимента и убедились, что, регулируя источники фотонов так, чтобы их пути становились неразличимыми, можно достичь гарантированной запутанности между другими фотонами.
Открытие ученых имеет огромное значение для развития квантовых коммуникаций, в частности для создания защищенных квантовых сетей. На сегодняшний день технологии квантового шифрования требуют сложного и дорогостоящего оборудования, но более простые методы формирования запутанности сделают квантовые технологии значительно доступнее. Физик София Валлекорса из ЦЕРН, не принимавшая участие в исследовании, отметила, что чем проще технологии, тем шире их потенциальное применение. Простые способы создания запутанности помогут строить более сложные сети с разветвленной архитектурой, что особенно важно для квантового интернета.
Впрочем, пока что не известно, можно ли масштабировать этот метод до уровня промышленного применения. В реальных условиях квантовые системы подвержены внешнему шуму и техническим проблемам, из-за которых стабильность запутанных состояний может снижаться.
Помимо прочего, работа ученых наглядно показала, насколько полезным инструментом может быть искусственный интеллект в фундаментальной науке. Многие физики до сих пор относятся скептически к применению ИИ в научных открытиях, но новое исследование демонстрирует, что нейросети могут не только помогать в расчетах, но и предлагать неожиданные решения, на которые человек мог бы вообще не обратить внимание. Валлекорса подчеркивает, что ИИ не способен заменить ученых, но он является мощным инструментом в их руках, который помогает ускорить поиск новых научных открытий и сделать его более эффективным.
Благодаря таким исследованиям, уже в скором будущем квантовые технологии могут стать не только теоретическим достижением, но и частью повседневной жизни, в которой они сделают передачу информации максимально быстрой, безопасной и эффективной.
Ранее ученые впервые сделали свет твердым и жидким: ничего подобного в истории не было.
