Квант запутался во времени — и выдал то, что Вселенная прятала столетиями

Технология квантовых сетей стремительно развивается и рассматривается как основа будущего квантового интернета — инфраструктуры, которая обеспечит защищённую передачу данных, соединение распределённых квантовых компьютеров и устойчивую связь. Однако новое исследование показало: возможности таких сетей выходят далеко за рамки телекоммуникаций.

Физики Игорь Пиковски (Технологический институт Стивенса), Якоб Кови (Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн) и Йоханнес Боррегаард (Гарвард) предложили использовать квантовые сети для проверки того, как искривлённое пространство-время влияет на квантовые процессы. Их статья Probing Curved Spacetime with a Distributed Atomic Processor Clock , опубликованная в PRX Quantum, описывает протокол, позволяющий реализовать такой эксперимент на практике.

В центре внимания — пограничная зона между двумя фундаментальными теориями: общей относительности Эйнштейна и квантовой механикой. Первая объясняет гравитацию как геометрию пространства и времени, вторая — поведение микроскопических систем. До сих пор их экспериментальное пересечение было почти невозможным.

Авторы фокусируются на гравитационном замедлении времени — известном эффекте, при котором течение времени меняется в зависимости от гравитационного потенциала. Феномен многократно подтверждён, например, при помощи атомных часов на спутниках. Но как он влияет на квантовую суперпозицию — остаётся открытым вопросом.

Учёные показали, что связанные между собой атомные часы, распределённые по квантовой сети, могут фиксировать суперпозиции временных интервалов, возникающих из-за различий в гравитации. Эти расхождения становятся частью общего квантового состояния и могут быть зарегистрированы как интерференционные сигналы.

Ключевую роль играет использование так называемых W-состояний — форм квантовой запутанности, при которых система сохраняет когерентность даже при утрате одного из узлов. Такая устойчивость критически важна в условиях, где даже незначительные внешние помехи могут разрушить эксперимент.

В рамках предложенного протокола задействуются квантовая телепортация и запутанные пары Белла. Так можно распределять квантовую информацию между удалёнными узлами, находящимися в разных гравитационных условиях, и затем измерять возникающие эффекты.

По словам Пиковски, принято считать, что квантовая теория применима повсеместно, но предположение пока не проверено в условиях сильно искривлённого пространства-времени. Некоторые теоретические модели предполагают, что здесь возможны отклонения от привычных квантовых законов — и именно квантовые сети впервые позволяют проверить это экспериментально.

Однако такие измерения не реализовать при помощи классических сенсоров — у них попросту не хватает чувствительности. Квантовые узлы, напротив, не только регистрируют малейшие сдвиги, но и позволяют отложенно анализировать данные за счёт хранения информации в состоянии запутанности.