Физики смогли запутать пять фотонов

Израильские физики из института Вайцмана предложили алгоритм, который, теоретически, позволяет получать любое число частиц в запутанном состоянии. Статья исследователей появилась в журнале Science. Коротко о работе пишет портал Physics World.

Квантовой запутанностью называют особое свойство квантовых систем быть прочно "связанными" друг с другом даже на большом расстоянии. Это означает, что когда состояние одной из систем изменяется, состояние других, "спутанных" с первой, также мгновенно претерпевает изменения. Иными словами, узнавая состояние одной из систем, наблюдатель одновременно узнает состояние других.

Одним из запутанных состояний является состояние NOON — суперпозиция двух других квантовых состояний. В более ранних работах физикам удавалось реализовать состояние NOON для четырех фотонов, однако увеличение числа запутанных частиц требовало существенного усложнения экспериментальной техники. Авторы новой работы разработали способ, позволяющий по одной схеме запутывать произвольное число частиц.

Экспериментальная схема выглядит следующим образом: на светоразделительное устройство направляются два луча — "обыкновенный" лазер и луч, содержащий запутанные пары фотонов. У устройства есть два входа и два выхода. Фотоны, находящиеся в состоянии NOON, всегда "выбирают" один выход — однако экспериментатор по определению не может знать, какой именно. После выхода из светоделительного устройства лучи встречаются и интерферируют. Анализируя интерференционную картину, ученые могут определить число запутанных фотонов. Для этого они определяют значение контраста интерференционной картины.

Для пяти запутанных фотонов этот параметр составил 42 процента. Теория предсказывала, что в случае реализации состояния NOON он может достигать 92 процентов. Тем не менее, полученное значение намного больше значения, получающегося для незапутанных фотонов — 17 процентов. Когда запутывались четыре фотона, контраст достигал 74 процентов, когда три — 86 процентов, а когда два — то 95 процентов.

Запутывание большого числа частиц имеет не только теоретическое значение. Множество запутанных фотонов ведут себя так же, как единичный фотон, причем его длина волны уменьшается пропорционально числу запутанных фотонов. Меньшая длина волны позволяет преодолеть дифракционный предел — основное препятствие к созданию микроскопов более высокой разрешающей способности. В ближайшем будущем авторы новой работы намерены заняться именно практическим применением предложенной ими техники.

Суперкомпьютера моделирует луч лазера из 400 млрд. частиц

Многие годы учёные пытаются понять сложную физику инерционного термоядерного синтеза. Реакция должна запускаться путём сжатия мишени — капсулы с изотопами водорода — с помощью высокоэнергетических лазеров до достижения достаточных давления и температуры. Для этого требуется подвести к мишени как можно большее количество энергии, но задача осложняется потерями из-за обратного рассеивания, или отражения луча. Термоядерный синтез — это базовый процесс производства энергии на Солнце, и его контролируемая версия на Земле предоставила бы очень эффективный и дешёвый ресурс.

Учёные из Лос-Аламосской лаборатории (Los Alamos Laboratory) Лин Йин (Lin Yin) и Брайан Олбрайт (Brian Albright) используют адаптированную версию VPIC — имитирующего поведение плазмы с помощью метода крупных частиц кода, который запускается на суперкомпьютере Roadrunner, чтобы моделировать нелинейную физику передачи лазерной энергии и нестабильность плазмы. Целью работы является помощь коллегам из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory), которые попытаются в следующем году осуществить запуск реакции. По словам Лина, это самое масштабное моделирование плазмы из когда-либо проводимых и задействует 400 млрд частиц. Без Roadrunner с производительностью более 1 Пфлопс это невозможно было бы сделать, но даже такой вычислительный ресурс позволяет симулировать лишь малую часть луча.

Компьютерный код VPIC моделирует поведение плазмы с очень высоким разрешением, поэтому даже Roadrunner не способен воспроизвести в виртуальном мире нелинейное обратное рассеивание всего лазурного луча. Учёные концентрируются на единичной "горячей точке", чтобы определить, как происходит потеря энергии и что из себя представляет нелинейный процесс. Эксперименты проводятся с настоящим лазером Trident Laser в Лос-Аламосе. Суперкомпьютер разработан IBM. Каждый вычислительный узел состоит из двух двухъядерных процессоров AMD Opteron 1,8 ГГц и четырёх чипов PowerXCell 8i 3,2 ГГц, используемых как ускорители. Это модифицированный вариант CPU Cell, применяющихся в консолях Sony PlayStation 3. Всего же система имеет 6912 Opteron, 12960 PowerXCell и более 100 Тб оперативной памяти. Энергопотребление составляет 2,35 МВт.