Как только наши фотоны прибыли в места назначения – один в прибор Алисы, другой в прибор Боба, в идеальной ситуации их нужно сохранить в памяти. Разработки такой памяти, называемой квантовой, все еще ведутся в исследовательских лабораториях. В настоящее время эта технология не очень эффективна, и фотон хранится лишь крошечную долю секунды. Поэтому мы попросим Алису и Боба сделать выбор чуть раньше, чем прибудут фотоны. Таким образом, измерение произойдет мгновенно в момент прибытия. Положение джойстика определяет, что будет измерено – энергия или возраст (энергия или время, сказали бы ученые). В итоге каждый прибор покажет результат измерения. В принципе в приборах друзей могло бы храниться достаточное количество фотонов для игры, как она описана в главе 2 (и технология очень скоро даст такую возможность). Кристаллы в центре двух приборов – это и есть квантовые запоминающие устройства, которые способны хранить несколько сотен запутанных фотонов, как квантовые кристаллы памяти, которые мы сейчас разрабатываем в Женеве (однако продолжительность хранения и эффективность необходимо будет значительно увеличить).
Запутанность квантовых битов
Мы только что узнали, как «изготовить» два инфракрасных фотона, которые запутаны по энергии и по возрасту. Измеряя энергию или возраст этих двух фотонов, мы получаем идеально коррелирующие результаты. С помощью джойстиков Алиса и Боб выбирают, какое измерение выполняет прибор – энергии или возраста фотонов, но и этого пока недостаточно, чтобы начать играть. Причина в том, что в игре Белла результаты должны быть представлены в двоичном виде, а измерение энергии и возраста дает числовые результаты из широкого диапазона возможных значений (теоретически их бесконечно много). Поэтому нам придется, если можно так сказать, дискретизировать запутанность.
Начнем с того, что заменим лазер, который непрерывно светит на нелинейный кристалл, другим лазером, который выдает короткие импульсы света. Затем, используя полупрозрачные зеркала (физики называют такое устройство светоделителем), мы можем разделить этот импульс на два, задержать один из двух полуимпульсов и вновь свести их, как показано на рис. 6.2. Таким образом, на кристалл направляется серия из двух полуимпульсов. Это все тот же нелинейный кристалл, который используется для производства пар фотонов. В какой же момент будут образовываться эти фотонные пары? Каждый зеленый фотон, испущенный лазером, разделяется надвое, одна половина искусственно задерживается, и результат отправляется в кристалл. Таким образом, в нелинейном кристалле каждый зеленый фотон может быть превращен в два инфракрасных фотона в два разных момента времени. Если мы детектируем один инфракрасный фотон, то мы можем обнаружить его в два разных момента времени – вовремя или с задержкой. Тогда другой инфракрасный фотон обязательно будет обнаружен в это же время, другими словами, у него будет тот же самый возраст. Вот так мы получаем двоичный результат для измерения возраста инфракрасных фотонов. (Важно понимать, что это не означает, что зеленый фотон иногда приходит вовремя, а иногда запаздывает. Он всегда приходит и вовремя, и с опозданием, в суперпозиции этих состояний, говоря физическим языком. Его облако потенциальных возрастов имеет два пика, один соответствует варианту «вовремя», а другой – «с задержкой». Каждая пара инфракрасных фотонов, порожденных зеленым фотоном, также одновременно находится в двух состояниях – «вовремя» и «с задержкой», но эти два фотона всегда имеют один и тот же возраст.)
Для второго необходимого для игры измерения – измерения энергии фотона – потребуется интерферометр. Здесь важно понять, что мы можем дискретизировать и измерение энергии
[45], а значит, играть и выиграть в игру Белла.
Эксперимент Берне – Белльвю
Мы провели вышеописанный эксперимент в Женеве в 1997 г. Это был первый случай, когда игру Белла устроили за пределами одной физической лаборатории. У меня был солидный опыт в области телекоммуникации, и в частности в оптоволоконных технологиях – в начале 1980-х я поучаствовал в их внедрении в Швейцарии. Главная техническая трудность заключалась в последовательном обнаружении фотонов с длиной волны, совместимой с характеристиками оптоволокна. В то время таких детекторов просто не существовало. Во время первых прогонов эксперимента нам приходилось погружать некоторые диоды в жидкий азот, чтобы они сохраняли низкую температуру. И совсем другого характера проблемой был доступ к оптоволоконной сети национального оператора Swisscom. К счастью, благодаря моей прежней работе в этой области у меня сохранились прекрасные связи.
Кристалл, являвшийся источником запутанности, и все сопутствующее оборудование мы привезли и смонтировали в телекоммуникационном центре возле железнодорожной станции в Корнавене. Отсюда один непрерывный оптоволоконный кабель шел в деревню Белльвю к северу от Женевы, а второй – в деревню Берне к югу от Женевы, более чем в 10 км по прямой от Белльвю. В каждой деревне в их маленьких телекоммуникационных центрах мы сумели установить наши интерферометры и фотонные детекторы (вместе с жидким азотом!). Попасть в эти помещения было непросто, даже имея ключ. В течение одной минуты после открытия двери необходимо было позвонить на пульт охранной сигнализации по специальному интерфону и сказать пароль. Потом нужно было спуститься на четыре этажа вниз в подвал, куда сходились все оптоволоконные кабели из окружающих районов. Учитывая, что воспользоваться там мобильным телефоном было невозможно, предлагаю читателю подумать над этой логистической задачей!
