Квантовые сети стремительно развиваются по всему миру. Это ключевая технология, которая откроет дорогу к глобальному квантовому интернету: безопасной связи в масштабах планеты и соединению квантовых компьютеров. Гонка за воплощение этой идеи идет полным ходом — и на Земле, и в космосе.

Недавнее исследование, проведенное Игорем Пиковским из Стивенсовского института технологий, Джейкобом Кови из Университета Иллинойса и Йоханнесом Боррегаардом из Гарварда, показало, что квантовые сети могут гораздо больше, чем считалось раньше.

В статье  «Изучение искривленного пространства-времени с помощью распределенных атомных часов», опубликованной в журнале PRX Quantum, ученые впервые предложили способ проверить, как искривленное пространство-время влияет на квантовые процессы.

Квантовая физика пока выдерживает все эксперименты. Но как она ведет себя, когда в дело вступает теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности? В ней гравитация — не сила, а следствие искривления пространства и времени. Из-за этого, например, время замедляется возле массивных объектов. Этот эффект подтвержден с высокой точностью и даже стал сюжетом для фильмов вроде  «Интерстеллар».

Но как замедление времени влияет на квантовые частицы? Может ли гравитация изменить сами законы квантовой механики? Пока единой теории квантовой гравитации нет, но некоторые гипотезы предполагают, что в искривленном пространстве квантовые принципы работают иначе. Проверить это раньше было невозможно.

В предыдущей работе  «Проверка квантовой теории в искривленном пространстве-времени с помощью квантовых сетей» Пиковский и Боррегаард показали, что современные технологии уже позволяют изучать эту загадку. Они объяснили, как две уникальные особенности — квантовая суперпозиция и искривление времени — могут взаимодействовать.

В квантовом мире частица может находиться сразу в нескольких состояниях (как кубит, который одновременно и 0, и 1). Если создать сеть из таких кубитов, разнесенных на большие расстояния, то из-за разной гравитации в каждой точке время для них будет течь неодинаково. Это значит, что квантовые часы в суперпозиции смогут «почувствовать» искривление пространства-времени.

Связь между квантовой теорией и гравитацией — одна из самых сложных и увлекательных проблем в физике, — говорит Игорь Пиковский. — Квантовые сети помогут нам впервые проверить ее на практике.

Вместе с лабораторией Кови ученые разработали конкретный метод. Они предложили использовать запутанные W-состояния (особый тип квантовой связи между частицами) и интерференцию таких систем. Современные технологии — квантовая телепортация и запутанные пары кубитов — позволят провести эксперимент.

Квантовая запутанность — явление, при котором две или более частицы становятся связанными так, что изменение состояния одной мгновенно влияет на другие, даже если они находятся на противоположных концах галактики. Это не передача информации, а странная «синхронность», предсказанная квантовой теорией.

Мы предполагаем, что квантовая теория работает везде, но на самом деле это не доказано, — поясняет Пиковский. — Гравитация может ее менять. Некоторые теории это предсказывают, и теперь у нас есть способ проверить.

Исследование доказывает: квантовые сети — не просто инструмент для интернета будущего, но и окно в фундаментальную физику. Впервые у человечества появился шанс увидеть, как квантовые законы ведут себя в искривленном пространстве-времени.

Помимо фундаментального прорыва — проверки квантовой механики в условиях гравитации — это исследование может дать:

• Новые стандарты точности — если квантовые часы в сети смогут учитывать искривление времени, это повысит точность GPS и синхронизацию финансовых транзакций.
• Защиту от взлома — понимание квантово-гравитационных эффектов поможет создать новые алгоритмы шифрования, устойчивые даже к квантовым атакам.
• Технологии для космоса — например, сверхточные часы для навигации вдали от Земли, где гравитация сильно отличается.

Главная слабость работы — пока это лишь теоретическая модель. Для реализации потребуются:

• Стабильные квантовые сети на больших расстояниях (сейчас они уязвимы к помехам).
• Атомные часы с беспрецедентной точностью (современные прототипы еще недостаточно хороши).
• Учет других факторов, влияющих на время (например, магнитных полей).

Ранее мы разбирались, когда будет доступен кватовый интернет.