Учёные совершили значительный шаг в понимании основ квантовых систем — впервые полностью описаны все возможные статистические зависимости, возникающие при изучении запутанных частиц. Физики из Института теоретической физики в Париже-Сакле продемонстрировали путь к созданию квантовых устройств, самоконтроль которых обеспечивается фундаментальными свойствами их работы, а не техническими характеристиками компонентов.
Квантовая запутанность — это феномен, в котором частицы остаются взаимосвязанными даже на расстоянии, лежащий в основе современных технологий, таких как защищённая связь и алгоритмы обработки данных. До недавнего времени учёные могли полностью описывать только наиболее запутанные состояния, в которых корреляции между частицами достигали предельных значений, предсказанных квантовой механикой. Однако в реальных условиях системы чаще работают в режиме частичной запутанности. Именно этот пробел заполнили исследователи, предложив универсальный метод анализа измерительных данных для любых двухуровневых систем.
Основная суть открытия заключается в том, что характеристики запутанности, такие как вероятность совпадения результатов измерений при различных углах, теперь можно восстановить напрямую из первоначальных статистических данных без учёта информации о внутреннем устройстве источников или детекторов. Учёные приспособили математические модели, изначально разработанные для идеальных систем, используя нелинейное преобразование данных — процесс, напоминающий декодирование сигнала, где шумы отделяются от истинных квантовых корреляций.
Ключевое применение нового метода заключается в возможности проверки квантовых устройств, работающих как «чёрный ящик». Например, при передаче закодированных ключей с помощью квантовой связи, безопасность может быть гарантирована благодаря анализу статистики совпадений на стороне отправителя и получателя, а не предположениям о стабильности лазеров или датчиков. Такой метод исключает уязвимости, связанные с естественным дрейфом параметров компонентов с течением времени — проблемы, особенно критичной для спутниковой связи или вычислительных кластеров, использующих тысячи кубитов.
Особую актуальность данное исследование приобретает в области так называемых «абсолютно безопасных» систем. Метод позволяет выявлять скрытые недостатки даже в устройствах, технические характеристики которых производителя остаются нераскрытыми — сценарий, актуальный для коммерческих квантовых процессоров или сенсоров в автопилотируемых автомобилях. При этом остаётся возможность подтвердить отсутствие локальных скрытых параметров, что было отмечено Нобелевской премией по физике 2022 года.
«Наша модель определяет строгие границы для достижимых на практике корреляций в системах с двумя кубитами, — отмечают исследователи. — Это как топографическая карта для инженеров: владея знаниями о пределах, можно оптимизировать конструкции для специфических применений». Уже в настоящее время метод интегрируется в испытательные стенды для квантовых повторителей и облачных платформ, требующих автоматической калибровки устройств без приостановки их работы.
Прогресс в этой области может ускорить трансформацию лабораторных экспериментов в промышленные стандарты. В перспективе — создание гибридных систем, в которых классические и квантовые компоненты взаимодействуют через общие интерфейсы проверки. Это приближает время, когда квантовые технологии станут не диковиной, а основной инфраструктурой, подобно современным полупроводниковым чипам или оптическим сетям.
Источник: iXBT
