Квантова телепортація між фотонами

 

 

 

Німці готуються телепортувати. Побажаємо їм сім футів під кілем, хай наступними стануть досліди телепортації нейтронів.

Дослідники з Університету Штутгарта зробили значний прорив у розробці квантових ретрансляторів. Повсякденне онлайн-життя небезпечне: хакери зламують банківські рахунки або крадуть цифрові ідентифікаційні дані. Завдяки штучному інтелекту атаки стають дедалі складнішими. Квантове шифрування обіцяє ефективний захист від таких кіберзагроз. Воно робить зв'язок захищеним від прослуховування, використовуючи закони квантової фізики. Однак шлях до квантового інтернету все ще пов'язаний з технічними перешкодами. Дослідники з Інституту напівпровідникової оптики та функціональних інтерфейсів (IHFG) при Штутгартському університеті досягли вирішального прориву в одному з найбільш технічно складних компонентів: квантовому ретрансляторі.

«Вперше у світі нам вдалося передати квантову інформацію між фотонами, що походять від двох різних квантових точок», — каже Пітер Міхлер, голова IHFG та заступник речника дослідницького проєкту Quantum Repeater.Net (QR.N) . Що це взагалі означає? Кожне цифрове повідомлення — чи то WhatsApp, чи відеопотік — складається з нулів та одиниць. Це також стосується квантової комунікації, де окремі фотони служать носіями інформації. Нуль або одиниця потім кодується двома різними напрямками поляризації фотонів, тобто їх горизонтальною та вертикальною орієнтацією, або суперпозицією обох станів. Оскільки фотони підпорядковуються законам квантової механіки, їх поляризацію не завжди можна повністю прочитати, не залишаючи слідів. Спроба підслуховування неминуче буде виявлена.

Ще один виклик: доступний квантовий інтернет використовуватиме оптоволоконне волокно, як і сучасний інтернет. Однак світло має обмежений радіус дії у волоконній оптиці. Тому звичайні світлові сигнали оновлюються приблизно кожні п'ятдесят кілометрів за допомогою оптичного підсилювача. Оскільки квантову інформацію не можна просто посилити, скопіювати та передавати, це не працює в квантовому інтернеті. Однак фізика допускає квантову телепортацію: передачу інформації від одного фотона до іншого без знання цієї інформації.

Спираючись на це, фізики розробляють квантові ретранслятори, які відновлюють квантову інформацію, перш ніж вона втратиться в оптичному волокні. Вони призначені для використання як вузли в квантовому інтернеті. Однак технічні перешкоди є значними: для передачі квантової інформації за допомогою телепортації фотони повинні бути нерозрізненими – наприклад, мати однаковий розмір і колір. Це надзвичайно складно, оскільки вони генеруються в різних місцях різними джерелами. «Кванти світла з різних квантових точок ніколи раніше не телепортувалися, тому що це так складно», – каже Тім Стробель, науковець з IHFG. Його команда розробила напівпровідникові джерела світла в рамках проекту QR.N, які генерують майже ідентичні фотони. «У цих напівпровідникових островах створюються специфічні, визначені енергетичні рівні, як в атомі», – пояснює Стробель. Це дозволяє генерувати окремі фотони з визначеними властивостями одним натисканням кнопки.

«Наші партнери з Інституту дослідження твердого тіла та матеріалів Лейбніца... «У Дрездені ми створили квантові точки, які відрізняються лише мінімально», — сказав Штробель. Це дозволяє генерувати майже ідентичні фотони у двох місцях. У Штутгартському університеті команді вчених вдалося телепортувати стан поляризації фотона з однієї квантової точки до іншої з другої квантової точки. Одна квантова точка утворює один фотон, інша – заплутану пару фотонів. «Заплутаний» означає, що партнери утворюють єдину квантову фізичну одиницю, навіть якщо вони просторово розділені. Один партнер пари рухається до другої квантової точки та інтерферує з її фотонами. Два фотони накладаються один на одного. Завдяки цій суперпозиції інформація про один фотон передається віддаленому партнеру пари. Вирішальним фактором цього успіху стали квантові перетворювачі частоти, які компенсують мінімальні залишкові різниці частот між фотонами. Вони були розроблені командою під керівництвом Крістофа Бехера, професора квантової оптики Саарландського університету . «Передача квантової інформації між фотонами з різних квантових точок є вирішальним кроком до подолання більших відстаней у майбутньому», — каже Пітер Міхлер. У Штутгартському експерименті квантові точки були розділені лише близько десяти метрів оптичного волокна. «Але ми працюємо над досягненням значно більших відстаней», — пояснює Штробель.

У попередній роботі команда продемонструвала, що заплутаність фотонів квантових точок зберігається навіть після 36-кілометрової передачі через центр Штутгарта. Ще одна мета — збільшити поточний рівень успішності телепортації, який становить трохи більше 70 відсотків. Коливання квантової точки все ще призводять до незначних відмінностей у фотонах. «Ми хочемо зменшити їх за допомогою вдосконалення напівпровідників», — каже Штробель. «Проведення такого експерименту давно було мрією, і ці результати є кульмінацією багаторічних досліджень та наукового прогресу», — каже Сімоне Лука Порталупі, керівник групи в IHFG та один із координаторів цієї роботи. «Цікаво спостерігати, як експерименти, пов’язані з фундаментальними дослідженнями, роблять свої перші кроки до розгортання технологій». https://is.gd/ODPCsn