Сенсация в фотонике: доказана возможность квантовой телепортации по интернет-кабелям

Исследователи из Северо-Западного университета (Эванстон, штат Иллинойс) успешно продемонстрировали квантовую телепортацию по оптоволоконному кабелю с идущим по нему интернет-трафиком. Открытие сулит возможность объединить квантовую связь с уже существующими интернет-кабелями, что значительно упростит инфраструктуру для передовых датчиков и квантовых вычислений.



— Прем Кумар, руководитель исследования.

Квантовая телепортация ограничена лишь скоростью света. Это явление обеспечивает новый, сверхбыстрый и безопасный способ обмена информацией между пользователями сети. Процесс возможен за счёт использования квантовой запутанности, явления, при котором две частицы связаны независимо от расстояния между ними. Вместо частиц, физически перемещающихся для доставки информации, при квантовой запутанности частицы обмениваются информацией на больших расстояниях без её физического переноса.

Кумар сказал, что в оптических системах связи все сигналы преобразуются в свет. Но если обычные сигналы для классической связи состоят из миллионов частиц света, то в квантовой информации используются отдельные фотоны.




— Джордан Томас, аспирант в лаборатории Кумара.

Сам фотон не нужно отправлять на большие расстояния, но его состояние всё равно кодируется во втором, расположенном вдали фотоне. Телепортация позволяет обмениваться информацией на больших расстояниях, не требуя, чтобы сама информация преодолевала эти расстояния.



До того, как состоялось это открытие, исследователи не были уверены, возможна ли квантовая телепортация в кабелях оптоволоконной интернет-связи. Предполагалось, что пары создающих запутанность фотонов «утонули» бы среди миллионов других лёгких частиц.

Однако Кумар с коллегами нашли способ помочь чувствительным фотонам держаться подальше от оживлённого движения прочих частиц. После углубленных исследований того, как свет рассеивается в волоконно-оптических кабелях, учёные обнаружили менее загруженную длину волны света, на которой размещаются фотоны. Затем они добавили специальные фильтры для уменьшения шума от обычного интернет-трафика.


— Кумар.

Чтобы протестировать новый метод, Кумар и его команда проложили 30-километровый оптоволоконный кабель с фотонами на обоих его концах. Затем по кабелю одновременно передавали квантовую информацию и высокоскоростной интернет-трафик. Наконец, они измерили качество квантовой информации на принимающей стороне во время выполнения протокола телепортации, произведя квантовые измерения в средней точке. Исследователи обнаружили, что квантовая информация была успешно передана, хотя при этом осуществлялся интенсивный интернет-трафик.

Томас объяснил, что уже многие группы исследователей изучали совмещение квантовых и классических коммуникаций в оптоволоконных сетях. Но работа научного коллектива из Эванстона стала первой, в которой получили квантовую телепортация по новому сценарию.


— Томас.

В дальнейшем группа Кумара планирует распространить эксперименты на более дальние расстояния. Они также намерены использовать две пары запутанных фотонов вместо одной для демонстрации обмена запутанностью, ещё одной важной вехи, ведущей к распределённым квантовым технологиям. Наконец, специалисты изучают возможность экспериментов на реальных наземных оптических кабелях, а не на катушках в лаборатории.

Несмотря на то, что предстоит ещё очень много научного труда, профессор настроен оптимистично.


— Кумар.

Глава исследования добавил, что многие люди долгое время считали, что никто не будет создавать специализированную инфраструктуру для отправки частиц света. Если же правильно выбрать длину волны, то не придётся создавать новую инфраструктуру. В общем, классическая и квантовая связь могут сосуществовать.

Словарик

Фотоника — дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения.

Термин «квант» относится к фундаментальной единице или раздельным количествам физических величин, участвующих во взаимодействиях на атомном и субатомном уровнях. Понятие произошло из квантовой теории — этот раздел физики возник в начале XX века для объяснения явлений очень малого масштаба, которым классическая физика не может дать точных объяснений.

В контексте квантовой теории с термином «квант» связано несколько ключевых понятий.

Квантовая механика — это раздел физики, изучающий поведение частиц на квантовом уровне. Она предоставляет математическую основу для описания корпускулярно-волнового дуализма материи и вероятностной природы физических явлений в мельчайших масштабах.

Корпускулярно-волновой дуализм — свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства волн, а при других — свойства частиц.

Квантовые состояния: квантовые системы существуют в определённых состояниях, и эти состояния описываются волновыми функциями. Квантовое состояние содержит информацию о вероятностях различных результатов при проведении измерений в системе.

Квантовая суперпозиция: в отличие от классических систем, квантовые частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно. Это явление известно также как суперпозиция и относится к фундаментальным аспектам квантовой механики.

Квантовая запутанность: частицы могут быть запутанными, то есть состояние одной частицы напрямую связано с состоянием другой, независимо от расстояния между ними. Изменения в состоянии одной частицы мгновенно влияют на состояние запутанной частицы.

Квантовая неопределённость: принцип неопределённости Гейзенберга гласит, что некоторые пары свойств, такие как положение и импульс, не могут быть точно определены одновременно. Существует предел точности, с которой можно измерить некоторые пары свойств.

Квантовый скачок: в квантовой механике частицы могут переходить между дискретными уровнями энергии, и эти переходы часто называют квантовыми скачками.

Квантовые вычисления: квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты, которые могут находиться в нескольких состояниях одновременно благодаря суперпозиции. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять определённые вычисления гораздо быстрее, чем классические компьютеры, для решения конкретных задач.

В целом, термин «квант» играет ключевую роль в понимании поведения материи и энергии в мельчайших масштабах и имеет огромное значение для понимания нами самой природы реальности. Принципы квантовой механики привели к значительным технологическим достижениям и продолжают формировать области физики и смежные дисциплины.