Впервые физики из Института квантовых вычислений (IQC) Университета Ватерлоо продемонстрировали распределение трех запутанных фотонов в трех разных местах (Алиса, Боб и Чарли) на расстоянии нескольких сотен метров друг от друга, доказав квантовую нелокальность для большего количества людей. чем два запутанных фотона.Результаты эксперимента «Экспериментальная трехчастичная квантовая нелокальность в строгих условиях локальности» опубликованы сегодня в журнале Nature Photonics.Когда-то описанная Эйнштейном как «жуткое действие на расстоянии», эта трехфотонная запутанность открывает интересные возможности для многосторонней квантовой коммуникации.
Нелокальность описывает способность частиц мгновенно узнавать о состоянии друг друга, даже если они находятся на большом расстоянии. В квантовом мире это означает, что можно передавать информацию мгновенно — быстрее скорости света.
Это противоречит тому, что Эйнштейн называл «принципом локального действия», правилом, согласно которому удаленные объекты не могут иметь прямого влияния друг на друга и что объект находится под прямым влиянием только своего непосредственного окружения.Чтобы по-настоящему проверить, что скрытые локальные переменные не ответственны за корреляцию между тремя фотонами, ученым IQC потребовался эксперимент, чтобы закрыть так называемую лазейку на местности. Они достигли этого разделения запутанных фотонов способом, который не позволял сигналу координировать поведение фотонов, но передавал запутанные фотоны трейлерам, припаркованным на полях в нескольких сотнях метров от их лаборатории.«Корреляции, измеренные с помощью квантовых систем, могут многое рассказать нам о природе на самом фундаментальном уровне», — сказал соавтор профессор Кевин Реш, канадский научный руководитель оптических квантовых технологий и недавний победитель конкурса E.W.R.
Стипендия Стейси от Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC). «Трехчастичная запутанность сложнее, чем запутанность пар. Мы можем использовать сложное поведение, чтобы исключить определенные описания природы или как ресурс для новых квантовых технологий».
Команда проекта изучила корреляции трех фотонов в состоянии Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ) — типа запутанного квантового состояния, в котором участвуют как минимум три частицы.Сначала триплеты фотонов были созданы в лаборатории Реша — Алиса в эксперименте.
Затем первый фотон был задержан в оптическом волокне длиной 580 м в лаборатории, в то время как два других фотона прошли 85 м по оптическому волокну на крышу, где они были отправлены через два телескопа. Затем оба фотона были отправлены двум трейлерам, Бобу и Чарли, примерно в 700 м от источника и друг от друга.Чтобы сохранить пространственноподобное разделение в эксперименте, четвертая сторона, Рэнди, находившаяся в третьем трейлере, случайным образом выбрала каждое из измерений, которые Алиса должна была выполнить над своими фотонами в лаборатории.В каждом трейлере были детекторы, устройства для отметки времени, разработанные дочерней компанией IQC Universal Quantum Devices (UQD), и генераторы квантовых случайных чисел.
Чтобы гарантировать, что лазейка на местности была закрыта, генераторы случайных чисел определили, как фотон в каждом трейлере будет измеряться независимо. Устройства временной метки UQD также обеспечивали выполнение измерений в очень маленьком временном окне (три наносекунды), а это означает, что никакая информация не может быть передана из одного места в другое в течение периода измерения — критическое условие для доказательства нелокальности запутанность.
«Идея запутать три фотона существует уже давно, — сказал профессор Томас Дженневейн, соавтор статьи. «Нужны были люди, обладающие нужными знаниями, чтобы собраться вместе, чтобы провести эксперимент в кратчайшие сроки. IQC подобрала правильную смесь в нужное время».Эксперимент продемонстрировал распределение трех запутанных частиц, которые в конечном итоге можно использовать для большего, чем просто парное общение, когда только одна сторона может общаться с другой. Это открывает возможность для многосторонних протоколов квантовой связи, включая квантовое распределение ключей (QKD), криптографию от третьего лица и совместное использование квантовых секретов.
«Интересный результат состоит в том, что теперь у нас есть возможность делать больше, чем просто парную квантовую коммуникацию», — сказал ведущий автор статьи Крис Эрвен, бывший аспирант IQC, который сейчас работает научным сотрудником в Бристольском университете. «До сих пор QKD представляла собой попарную систему — это означает, что она работает лучше всего и с меньшими предположениями, когда вы разговариваете только с одним другим человеком. Это первый эксперимент, в котором вы теперь можете представить себе сеть людей, связанных в разных способы использования корреляции между тремя или более фотонами ".
В команду из Института квантовых вычислений и факультета физики и астрономии факультета естественных наук Университета Ватерлоо входили студенты Крис Эрвен, Эван Мейер-Скотт, Кент Фишер, Джонатан Лавуа, Кристофер Пью, Жан-Поль Бургуан, Лаура. Ричардс, Николай Гигов, научный сотрудник Брендон Хиггинс, профессор Дженневейн, профессор Реш и Раймонд Лафламм, исполнительный директор IQC.
В команду проекта также входили бывшие постдокторанты IQC Роберт Преведел, ныне работающий в лабораториях Макса Ф. Перуца (MFPL) и Институте молекулярной патологии (IMP); Чжичжун Янь, сейчас работает в Университете Маккуори; Кристер Шалм сейчас работает в Национальном институте стандартов и технологий (NIST); и бывший преподаватель Грегор Вейхс, ныне работающий в Институте экспериментальной физики Университета Инсбрука.