Как запутанные монеты помогают измерять квантовую корреляцию без начальной случайности

Квантовая механика — это увлекательная область науки, которая может радикально изменить наше представление о вычислениях и коммуникациях. Одним из ключевых понятий квантовой механики является квантовая корреляция, то есть способность двух или более квантовых систем влиять друг на друга даже на большом расстоянии. Квантовая корреляция имеет множество приложений, таких как квантовая криптография, квантовые вычисления и квантовая информатика.

Однако для того, чтобы использовать квантовую корреляцию в практических целях, необходимо уметь ее измерять и проверять. Стандартным тестом для определения характера корреляции является неравенство Белла, названное в честь физика Джона Стюарта Белла. Это неравенство показывает, что квантовая корреляция нарушает некоторые классические предположения о реальности и локальности, то есть о том, что свойства систем определены независимо от измерений и что взаимодействие между системами не может происходить быстрее скорости света.

Однако тест Белла имеет свои сложности и ограничения. Одна из них — это необходимость использования случайных входных данных для выбора параметров измерения. Другими словами, экспериментатор должен быть уверен, что он не может заранее предсказать, какие измерения будут произведены на каждой из систем. Это требование называется начальной случайностью (seed randomness) и оно может быть дорогостоящим и уязвимым для различных лазеек.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предлагает альтернативный тест для квантовой корреляции, который не требует начальной случайности. Этот тест основан на использовании специальных квантовых монет (quantum coins), которые имеют свойство быть запутанными (entangled) друг с другом. Запутанные монеты — это такие монеты, которые при подбрасывании всегда показывают одинаковую сторону, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Это явление называется квантовой запутанностью (quantum entanglement) и оно является одним из проявлений квантовой корреляции.

Авторы исследования, во главе с доктором Джаклин Ромеро из Университета Квинсленда и Австралийского научно-исследовательского центра по инженерии квантовых систем, показали, что запутанные монеты можно использовать для создания игры, в которой два игрока должны подбрасывать свои монеты и сообщать результаты друг другу. Цель игры — получить как можно больше совпадений сторон монет. Однако игра имеет одно условие: игроки не могут подбрасывать свои монеты одновременно, а должны делать это по очереди. При этом первый игрок не может сообщать второму, какую сторону он получил, а второй игрок должен выбирать, какую монету подбрасывать: свою или ту, которую ему передал первый игрок.

Авторы доказали, что в этой игре запутанные монеты дают преимущество перед классическими монетами, которые не имеют квантовой корреляции. Они показали, что с помощью запутанных монет можно получить больше совпадений, чем с помощью классических монет, даже если игроки не знают, какие стороны они получают. Это свидетельствует о том, что запутанные монеты имеют неклассическую корреляцию, которая не может быть объяснена классической теорией.

Этот результат имеет важное значение для квантовой информатики, так как он позволяет проверять квантовую корреляцию без использования случайных входных данных. Это делает тест более эффективным и надежным, а также открывает возможность для новых протоколов квантовой коммуникации и криптографии, которые не зависят от начальной случайности. Как заявила доктор Ромеро в интервью Phys.org, «Наша работа устраняет это строгое требование к случайности. Мы демонстрируем, что общая (или коррелированная) случайность, полученная из запутанных монет, не может быть воспроизведена с помощью двух двухуровневых классически коррелированных монет. Это открытие позволяет нам установить квантовое преимущество в игрушечной игре, описанной в нашей статье.» Она также выразила свой энтузиазм по поводу этого исследования, сказав: «Я всегда ищу эксперименты, которые подчеркивают разницу между классической и квантовой информацией, потому что эти эксперименты вызывают любопытство.»