Ученые Университета Вашингтона в Сент-Луисе, NIST и Кембриджского университета создали новый тип квантового датчика, использующего квантовую запутанность для создания детекторов, которые могут «путешествовать во времени». Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Исследование основывается на концепции квантовой запутанности, когда свойства частиц скоррелированы независимо от расстояния между ними, и демонстрирует возможность использования квантовых датчиков для анализа сложных систем, существовавших в прошлом. Авторы описывают этот подход как аналогичный отправке телескопа назад во времени, чтобы наблюдать за событиями, которые уже произошли.
Процесс начинается с запутывания двух квантовых частиц в синглетном состоянии, когда они имеют строго противоположные спины. Неизвестно, в каком именно направлении направлены спины частиц, однако измерение спина одной из частиц влияет на спин другой, даже если эти частицы находятся в разных концах Вселенной. Математически это эквивалентно одной частице, которая движется назад во времени, а затем разворачивается в момент запутывания, приобретая противоположный спин, и двигается в будущее, занимая другую точку пространства, становясь второй частицей. Это можно представить как U-образную времениподобную кривую.
Одиночная частица, имеющая спин, служит простым датчиком для измерения приложенного к ней магнитного поля, поскольку воздействие магнитного поля изменяет направление спина. При обычных обстоятельствах существует один шанс из трех, что измерение не удастся. Это происходит потому, что перед экспериментом физики проводят предварительное измерение спина (в физике это называется приготовлением спина), чтобы он приобрел определенное направление вдоль оси x, y или z. Однако если направление спина окажется параллельно или антипараллельно магнитному полю, результат не будет получен.
Новый квантовый датчик позволяет экспериментаторам ретроспективно установить наилучшее направление для спина. Одна из двух частиц, находящихся в синглетном состоянии, служит зондом, который подвергается воздействию магнитного поля. На следующем шаге ученые измеряют спин другой частицы, называемой вспомогательным кубитом. Направление этого спина «возвращается во времени» и меняет свое значение на противоположное к моменту воздействия магнитным полем.
Таким образом, ученые узнают, каким было направление спина зонда до воздействия полем. Затем измеряется фактическое направление спина зонда, уже измененное полем. Если синглетное состояние частиц математически образует замкнутую временную петлю из двух U-образных кривых, то ученые, измеряя вспомогательный кубит и зонд в определенной последовательности, получают возможность правильно приготовить спин, чтобы шансы на успешное измерение составили 100 процентов.
Авторы отмечают, что датчики, работающие по этому принципу, имеют широкий спектр потенциальных применений: от обнаружения астрономических явлений до изучения магнитных полей с высокой точностью.
