Квантовая телепортация стала реальностью: Ученые передали информацию между фотонами от разных источников

Прорывное исследование немецких ученых из Университета Штутгарта открывает новую страницу в создании квантового интернета. Впервые в мире им удалось осуществить квантовую телепортацию информации между фотонами, испущенными двумя отдельными квантовыми точками. Это ключевой шаг к преодолению главного технического барьера — созданию квантовых повторителей для защищенной связи на большие расстояния.

Зачем нужен квантовый интернет? Безопасность на принципах физики

Современный цифровой мир уязвим: кибератаки, кража данных и взломы стали обычным делом. Квантовая криптография предлагает принципиально иное решение. Вместо сложных математических алгоритмов она использует фундаментальные законы квантовой механики. Информация кодируется в состояниях отдельных фотонов (например, в их поляризации), и любая попытка подслушать передачу неминуемо изменяет эти состояния, сразу обнаруживая присутствие шпиона.

Однако создать глобальную квантовую сеть невероятно сложно. Главная проблема — затухание сигнала в оптоволокне. Обычные фотоны нельзя просто усилить, как в классическом интернете, без разрушения хрупкой квантовой информации.

Сердце будущей сети: что такое квантовый повторитель?

Решение — квантовый повторитель. Это устройство, которое не копирует, а «перезапускает» квантовый сигнал, используя феномен квантовой телепортации. Телепортация позволяет передать неизвестное квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии, при условии, что они запутаны.

До сих пор главной сложностью было создать два абсолютно идентичных источника фотонов для этого процесса. «Световые кванты от разных квантовых точек никогда ранее не телепортировались, потому что это невероятно сложно», — объясняет Тим Стробель, ведущий автор исследования.

Как это работает: Квантовые точки и прецизионная настройка

Квантовые точки — это искусственные «атомы» в полупроводнике, способные излучать одиночные фотоны по требованию.

1. Создание близнецов: Ученые из Дрездена разработали квантовые точки с почти идентичными свойствами. Это позволило получать крайне похожие фотоны из двух разных физических источников.

2. Запутывание и взаимодействие: Одна точка излучает фотон, чье состояние нужно телепортировать. Вторая точка создает запутанную пару фотонов. Один фотон из этой пары отправляется к первой точке.

3. Акт телепортации: Когда «гостевой» запутанный фотон и исходный фотон встречаются в специальной схеме, происходит квантовое измерение. В этот миг состояние исходного фотона исчезает и мгновенно появляется у второго, удаленного фотона из запутанной пары. Информация телепортирована.

4. Коррекция частоты: Ключевую роль сыграли квантовые преобразователи частоты, разработанные в Саарском университете. Они идеально подгоняют частоты фотонов от разных точек, устраняя последние различия.

Значение прорыва и следующие шаги

«Передача квантовой информации между фотонами от разных квантовых точек — это решающий шаг к преодолению больших расстояний», — заявляет профессор Петер Михлер, руководитель исследования.

В текущем эксперименте точки были соединены 10 метрами оптоволокна, но технология масштабируема. Ранее та же команда доказала, что запутанность фотонов от квантовых точек сохраняется при передаче через 36 км городских коммуникаций Штутгарта.

Сейчас точность (верность) телепортации превышает 70%. Ученые работают над ее повышением, совершенствуя технологию изготовления квантовых точек, чтобы фотоны становились еще более идентичными.

Национальный проект: Германия строит сеть будущего

Эти исследования — часть масштабной национальной программы Quantenrepeater.Net (QR.N), координируемой Саарским университетом. В проекте участвуют 42 партнера из науки и индустрии с одной целью: разработать и испытать технологию квантовых повторителей в реальных оптоволоконных сетях.

Практические эксперименты по квантовой телепортации были выполнены под руководством Института оптики полупроводников и функциональных границ раздела (IHFG) при участии коллег из Дрездена и Саарбрюккена. Ознакомиться с деталями исследования можно в журнале Nature Communications.

По материалам www.sciencedaily.com