Квантовая коммуникационная технология может однажды обеспечить сверхзащищенный квантовый интернет, но до сих пор создание связей в такой большой сети оказалось сложной задачей. Прорыв в способности телепортировать квантовую информацию может стать многообещающим шагом вперед.
Причина, по которой многие в восторге от будущих сетей квантовой связи, заключается в том, что практически невозможно подслушать сообщения, закодированные в квантовых состояниях. Это связано с тем, что считывание квантового состояния частицы неизбежно изменяет его, а это означает, что легко обнаружить, не отслеживал ли кто-то канал связи.
Однако на самом деле транспортировать квантовые состояния на значительные расстояния сложно. Исследователи добились определенного успеха, передавая сообщения, связанные с квантовыми состояниями фотонов, на несколько сотен миль по оптическим кабелям , а также используя спутниковую квантовую связь для установления связи на еще большие расстояния . Но неизбежные потери сигнала при любом способе связи означают, что масштабирование до расстояний, необходимых для настоящего Интернета, будет непростой задачей.
Одним из обходных путей является использование другого квантового явления, называемого телепортацией. Это работает так же, как научно-фантастическая концепция, используемая в таких шоу, как «Звездный путь» , позволяя мгновенно передавать информацию из одного места в другое, теоретически на неограниченные расстояния. И теперь исследователи из Нидерландов представили первую практическую демонстрацию того, как это может работать.
Команда создала три квантовых «узла» по имени Алиса, Боб и Чарли, которые способны хранить квантовую информацию в кубитах — квантовом эквиваленте битов в компьютере, состоящем из центров азотных вакансий. Это крошечные дефекты в алмазах, которые можно использовать для захвата электронов и изменения их квантового состояния. Затем они соединили Алису с Бобом и Боба с Чарли с помощью оптоволокна.
Целью эксперимента, описанного в статье в Nature , была телепортация квантовой информации между Алисой и Чарли, которые не были связаны друг с другом напрямую. Для этого им сначала нужно было создать телепортационную связь между ними. Это основано на квантовом явлении запутанности, в котором состояния квантовых систем неразрывно связаны, так что измерение одного из них автоматически изменяет состояние другого, независимо от того, насколько далеко они друг от друга.
Протокол начинается с использования квантовой операции для запутывания электрона в узле Алисы с фотоном. Затем он передается по оптическому волокну Бобу, который запутывает его с электроном в своем узле, что создает запутывание между его кубитом и кубитом Алисы. Бобу также нужны s , чтобы создать связь с Чарли, поэтому он затем переносит запутанное состояние, связывающее его с Алисой, в другой кубит, сделанный из атома углерода в его алмазе. Это в основном действует как квантовая память, сохраняя запутанное состояние на потом.
Это освобождает его электрон, чтобы создать запутанность с Чарли, как и раньше. После того, как Боб запутался с обоими другими узлами, он затем выполняет операцию замены запутанности на своем электроне и запутанном состоянии, хранящемся в его кубите памяти, что в конечном итоге создает запутанность между кубитами Алисы и Чарли.
Теперь , когда два несвязанных узла связаны, им необходимо использовать это общее запутанное состояние для передачи информации от одного узла к другому. Для этого Чарли выполняет операцию, называемую измерением состояния Белла (BSM), которая выполняет совместное измерение как кубита, содержащего информацию, которую они хотят отправить, так и кубита, запутавшегося с кубитом Алисы.
Это приводит к тому, что квантовое состояние информационного кубита мгновенно телепортируется в кубит Алисы, но процесс, по сути, шифрует его, поэтому для его понимания требуется дополнительный шаг. Чарли отправляет результат BSM Алисе по обычному каналу связи, который можно использовать для расшифровки сообщения и раскрытия квантового состояния.
Хотя эти эксперименты проводились на узлах, находящихся на расстоянии всего около 60 футов друг от друга, в принципе телепортация должна быть возможна на любое расстояние, что могло бы обойти проблемы передачи квантовой информации по оптическим каналам. Однако даже для того, чтобы эта установка заработала, потребовались значительные обновления по сравнению с предыдущими системами, чтобы повысить надежность оптической связи и точность кубита памяти.
В сопутствующей перспективе в Nature исследователи отмечают , что все эти элементы потребуют значительного дальнейшего развития, прежде чем можно будет реализовать настоящий квантовый интернет. Тем не менее, работа является важной вехой и помогает преодолеть серьезное препятствие на пути к созданию квантовых сетей глобального масштаба.
Кредит изображения: Марике де Лорейн для QuTech