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.