Квантовый мир не любит, когда его разглядывают вполглаза. Чтобы вытащить из атома или фотона всю доступную информацию, нужен целый веер «стрелок» — разных способов задать вопрос. Физики называют такой веер полным набором измерений. Но среди полных наборов есть особые: их стрелки расставлены так ровно, что каждая отвечает с одинаковой силой. Это как компас, где четыре направления — север, юг, восток, запад — делят круг поровну. Такой компас называют симметричным информационно полным измерением.
Однако строгая симметрия — капризная штука. До сих пор никто не доказал, что такой идеальный компас можно собрать в любом измерении. Поэтому учёные ищут обходные пути. Один из них — полусимметричный компас: стрелки уже не обязаны быть строго одинаковыми, но всё ещё дают полную картину. Авторы новой работы собрали такой компас из четырёх стрелок. Для этого они запустили одиночный фотон гулять по «линейке» — цепочке шагов, где на каждом шаге частица может пойти вправо или влево. Пройдя несколько шагов, фотон попадает в одну из четырёх ловушек. Какая ловушка сработала — такой и ответ.
Главный сюрприз: этот компас проверяет сам себя. Учёные показали, что даже если не доверять ни одной детали установки — ни линзам, ни зеркалам, ни длине шагов — сам факт, что фотон приходит в нужные ловушки с нужной частотой, доказывает: компас собран правильно. Это как если бы штурман, не видя карты и не зная, где север, по одним лишь показаниям четырёх стрелок убедился, что они не врут. Такая самопроверка нужна для квантовых сетей будущего: прежде чем доверить прибору секретный ключ, хочется знать, что прибор не подделка.
Фотон, гуляющий по линейке, — это не просто игрушка. Такие прогулки уже используют для расчётов, которые обычному компьютеру не по зубам. А теперь выяснилось, что они годятся и для сборки точных измерителей. Четыре стрелки на конце пути — это четыре честных ответа от квантовой системы.
Чтобы получить один-единственный ответ от квантовой системы, иногда нужно приготовить сразу несколько разных «вопросов» — и только потом, глядя на все ответы вместе, можно восстановить полную картину. Это как если бы вы не могли спросить человека «сколько тебе лет?», а могли бы только предлагать ему выбрать один из четырёх подарков — и по выбору угадывать возраст.