Учёные совершили прорыв в фундаментальном понимании квантовых систем — впервые описаны все возможные статистические закономерности, возникающие при измерениях запутанных частиц. Работа физиков из Института теоретической физики (Париж-Сакле) открывает путь к созданию самопроверяющихся квантовых устройств, где надёжность подтверждается самой природой их работы, а не предположениями о технических характеристиках компонентов.

Квантовая запутанность — явление, при котором частицы сохраняют взаимозависимость даже после разделения, — лежит в основе новых технологий: от защищённой связи до алгоритмов обработки данных. До сих пор научное сообщество могло полностью описать только максимально запутанные состояния, где корреляции между частицами достигают предела, предсказанного квантовой механикой. Однако большинство реальных систем функционирует в промежуточном режиме — с частичной запутанностью. Именно этот пробел закрыли физики, разработав универсальный метод анализа данных измерений для любых двухуровневых систем.

При измерении квантово запутанных частиц учёные обнаружили закономерности в данных — как часто совпадают результаты на разных детекторах. Теперь определены предельные параметры этих совпадений, которые стали основой для проверки любых квантовых систем «со стороны», без анализа их внутреннего устройства. Источник: Jean-Daniel Bancal

Суть открытия в том, что параметры запутанности — например, вероятность совпадения результатов измерений под разными углами — теперь можно восстановить напрямую из сырых статистических данных, без информации о внутреннем устройстве источников или детекторов. Исследователи адаптировали математический аппарат, первоначально созданный для идеальных систем, применив нелинейное преобразование данных. Это напоминает расшифровку сигнала, где зашумлённые показания пересчитываются в эталонные значения, позволяя отделить «шум» от истинных квантовых корреляций.

Ключевое практическое применение метода — создание протоколов проверки квантовых устройств «чёрного ящика». Например, при передаче зашифрованных ключей квантовой связью безопасность можно гарантировать, анализируя лишь статистику совпадений на приёмной и передающей сторонах, а не предполагая стабильность лазеров или детекторов. Такой подход исключает уязвимости, связанные с дрейфом параметров компонентов со временем — проблему, критическую для спутниковой связи или вычислительных кластеров с тысячами кубитов.

Особую значимость работа приобретает в контексте так называемых «безусловно безопасных» систем. Как показали авторы, их метод позволяет выявлять скрытые дефекты даже в устройствах, где производитель не раскрывает технические детали — сценарий, актуальный для коммерческих квантовых процессоров или сенсоров в беспилотных автомобилях. При этом сохраняется принципиальная возможность подтвердить «нелокальность» системы — отсутствие локальных скрытых параметров, что было отмечено Нобелевской премией по физике 2022 года.

«Наша модель устанавливает жёсткие границы для экспериментально достижимых корреляций в двухкубитных системах, — отмечают исследователи. — Это как топографическая карта для инженеров: зная пределы, можно оптимизировать конструкции под конкретные приложения». Уже сейчас метод интегрируют в тестовые стенды для квантовых повторителей и облачных платформ, где требуется автоматическая калибровка устройств без остановки работы.

Прогресс в этой области может ускорить переход от лабораторных экспериментов к промышленным стандартам. В перспективе — появление гибридных систем, где классические компоненты взаимодействуют с квантовыми модулями через унифицированные интерфейсы проверки. Это приближает момент, когда квантовые технологии станут не экзотикой, а базовой инфраструктурой — как сегодняшние полупроводниковые чипы или оптические сети.

Подробнее на iXBT