Заплатить по квантовому кредиту

Физики преодолели еще одно препятствие на пути к квантовой связи

Квантовые компьютеры и системы связи неумолимо приближаются. Иллюстрация: Syda Productions/shutterstock

Системы квантовой связи — то есть такие системы, которые используют для передачи данных законы квантовой механики, — позволяют передавать данные, сохраняя их по пути в полной секретности: информацию, например, о платеже в интернете в принципе невозможно перехватить незаметно.

Однако пока что потери для таких систем связи настолько критичны, что работают они на очень небольших состояниях. Для создания полноценных систем квантовой связи физикам нужно, в частности, найти способы обращения с частицами в хрупком состоянии квантовой запутанности.

Запутанными называют частицы, которые выступают как «неделимый» объект, находящийся в едином квантовом состоянии. Частиц может быть две или больше. При этом параметры каждой отдельной частицы зависят от параметров других частиц. Например, частицы можно запутать так, что если в целом спин пары частиц равен нулю и при измерении оказалось, что одна из них вращается по часовой стрелке, то вторая обязательно должна вращаться против часовой стрелки. Запутанные частицы могут находиться очень далеко друг от друга, но их способность «чувствовать» изменения, происходящие с «партнером», сохраняется.

«Представьте, что у нас есть две монеты, которые находятся в таком запутанном состоянии. Мы подбрасываем одну из них, и у нас выпадает орел — тогда мы точно знаем, что на другой обязательно выпадет решка. Никакой силы, никакого поля между ними нет, это свойство их запутанного состояния», — объясняет Александр Львовский из Российского квантового центра.

Авторы исследования Александр Львовский и Александр Уланов возле экспериментальной установки. Фото: Российский квантовый центр


Такое свойство запутанных частиц не делает возможной мгновенную передачу информации, ведь обладатель второй частицы понятия не имеет о наших манипуляциях с первой, ему нужно сообщить о них каким-нибудь «обычным» способом, например позвонить или отправить письмо по электронной почте.

Тем не менее передавать квантовую информацию с помощью запутанности можно, хотя и не мгновенно. Для этого используется явление квантовой телепортации. Это не та телепортация, которую обычно показывают в фантастических фильмах, когда человек или предмет мгновенно перемещается из одной точки в другую. При квантовой телепортации на расстояние передается не сам объект, а его квантовое состояние.

Допустим, у нас есть частица №1 — фотон, состояние которого мы хотим передать с Венеры на Марс. Можно направить его в сторону Марса, а на Марсе смотреть в сторону Венеры в телескоп. Таким образом фотон можно отправить с Венеры на Марс, но на практике он, скорее всего, потеряется по дороге.

«Однако, если у нас кроме частицы №1 есть еще частицы №2 и 3, которые приготовлены в запутанном состоянии одна на Венере, другая на Марсе, то на Венере можно сделать что-то с частицами №1 и 2 так, что в силу квантовой «магии» на Марсе окажется вместо частицы №3 копия состояния частицы №1», — поясняет Львовский.

Частицу №1 при этом не нужно никуда посылать, и она не рискует потеряться по дороге. Зато остается проблема приготовить частицы №2 и 3 в запутанном состоянии и доставить их на нужные места. В процессе такой доставки из-за взаимодействия с окружающей средой может снизиться степень их квантовой запутанности. Если вернуться к аналогии с монетами, то это будет значить, что, когда мы подбрасываем одну монету и выпадает, например, орел, на другой монете решка будет выпадать уже не со 100-процентной вероятностью, а лишь несколько чаще, чем в половине случаев.

Львовский и его коллеги научились восстанавливать частично «испортившееся» запутанное состояние. В эксперименте ученые получали запутанные пары частиц, «обстреливая» очень короткими лазерными импульсами кристалл титанил-фосфата калия. Запутанные фотоны затем отправлялись в два разных оптических канала, в одном из которых они проходили через затемненное стекло. В результате уровень их запутанности с фотонами, которые прошли через другой оптический канал, где им ничего не препятствовало, падал почти до нуля.

Для того чтобы восстановить уровень запутанности частиц, ученые использовали открытый ими ранее метод квантового катализа. Он позволяет из большого числа слабо запутанных фотонов получить небольшое количество сильно запутанных частиц.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.
Теги:

Читать еще на Чердаке: