Ученые установили рекорд по дальности квантовой телепортации при помощи запутанных и "закрученных" фотонов - «Наука и технологии»

В течение трех прошедших десятилетий наука о квантовых коммуникациях и квантовых вычислениях прогрессировала достаточно большими темпами, постоянно пополняясь новыми протоколами, алгоритмами и аппаратными средствами. Однако, практическое воплощение всех этих теорий, за счет которых можно будет реализовать квантовый Интернет и создать сверхмощные квантовые компьютеры, является достаточно тяжелой задачей и в нынешнее время. Фактическое воплощение технологий, требующихся для передачи и обработки квантовой информации, таких, как "неуловимый" квантовый маршрутизатор, постоянно наталкивается на нехватку знаний и отсутствие других сопутствующих технологий.

Антон Зейлингер (Anton Zeilinger), исследователь из Венского университета, является одним из пионеров квантовых технологий, его научная группа осуществила первую квантовую телепортацию при помощи фотонов света в 1997 году. А недавно представители этой группы объявили о том, что и удалось повторно воспроизвести при помощи нового метода квантовую запутанность между двумя независимыми кубитами, которые разделяло расстояние в 143 километра. Кроме этого, им удалось получить пары запутанных фотонов света, закрученного особым образом, которые сохраняли свою запутанность, пройдя расстояние в три километра.

Для передачи квантовой запутанности от одного объекта к другому ученые использовали любопытное явление. Они традиционным образом создали два запутанных фотона и, изменяя поляризацию одного из них, добились синхронного изменения поляризации второго фотона. Теперь представьте себе, что существуют две пары запутанных фотонов, номера 0 и 1 в области принимающего узла и 2 и 3 в области передающего узла. Обе запутанных пары абсолютно не влияют друг на друга и даже не ощущают наличия второй пары, другими словами, между ними не существует никакой квантовой или физической связи. Фотон 3 посылается от передатчика к приемнику и взаимодействует с фотоном 1. В результате фотоны 3 и 1 становятся запутанными. И самым удивительным является то, что параллельно с этим устанавливается канал квантовой запутанности между фотонами 0 и 2, хотя их разделяет расстояние, и они никогда не взаимодействовали непосредственно друг с другом.

В настоящее время группа Антона Зейлингера работает вместе с учеными из китайского университета Науки и техники (University of Science and Technology of China) в рамках космического проекта. В следующем году китайская Академия Наук (Chinese Academy of Science) планирует произвести запуск спутника Quantum Science Satellite, на борту которого будет находиться квантовый приемо-передатчик. Этот спутник и наземные станции, находящиеся в Европе и Китае, сформируют первую в истории квантовую сеть, связывающую Землю и космос. "Если нам удастся создать два квантовых канала между спутником и двумя наземными станциями, то мы получим 100-процентно безопасный квантовый коммуникационный канал между Европой и Китаем" - рассказывает Марио Кренн (Mario Krenn), член австрийской научной группы.

В прошлом году группа Антона Зейлингера сообщила об успешном эксперименте, в ходе которого была осуществлена квантовая телепортация информации, закодированной в виде орбитального углового момента (orbital angular momentum, AOM) поляризации фотона света. В обычном виде фотоны могут иметь только два вида поляризации, так называемых уровней поляризации. Но количество дискрет орбитального углового момента поляризации закрученных фотонов практически безгранично. "В наших новых лабораторных экспериментах мы показали, что возможно создать квантовую запутанность, действующую сразу в ста измерениях, охватывающую сто разных уровней поляризации" - рассказывает Марио Кренн, - "И такая обширная запутанность может сохраняться активной на расстоянии до трех километров".

"Контроль квантового состояния закрученных фотонов является намного более трудным делом, чем просто измерение уровня поляризации обычного фотона" - рассказывает Марио Кренн, - "Но нам удалось реализовать подходящий метод синхронного измерения, который гарантирует отсутствие влияния независимых пар запутанных фотонов друг на друга и который показал, что фотоны с AOM-запутанностью сохраняют ее, проходя как через оптоволокно в идеальных условиях, так и через атмосферу, которая может вызывать искажения формы проходящего сквозь нее света".