Представьте себе: информация, мгновенно перемещающаяся из одной точки в другую, не требуя физической передачи. Звучит как научная фантастика, правда? Но благодаря новаторской работе инженеров из Северо-Западного университета эта картина становится все ближе к реальности. Их последнее достижение — успешная демонстрация квантовой телепортации по обычному оптоволоконному кабелю, по которому ежедневно передаются гигабайты интернет-данных. Это не просто еще один шаг в квантовых исследованиях, это потенциальный переворот в способах передачи и защиты информации.
Почему это так важно? Дело в том, что построение специализированной инфраструктуры для квантовых коммуникаций — задача колоссальной сложности и стоимости. Представьте себе прокладку новых оптоволоконных сетей по всему миру, предназначенных исключительно для передачи квантовой информации. Слишком дорого, слишком долго, практически нереализуемо, по крайней мере, в обозримом будущем. И вот тут-то и кроется вся прелесть открытия: оказывается, квантовые сигналы могут «путешествовать» по тем же магистралям, что и привычные нам данные, без взаимных помех.
Как же это работает? В основе квантовой телепортации лежит удивительное явление — квантовая запутанность. Представьте себе две монеты, связанные невидимой нитью. Если одна из них при подбрасывании выпадает орлом, то вторая, где бы она ни находилась, мгновенно покажет решку, и наоборот. В квантовом мире роль таких «монет» играют элементарные частицы, например, фотоны — частицы света. Запутанные фотоны находятся в особой взаимосвязи, и изменение состояния одного мгновенно отражается на состоянии другого, даже если они разделены огромным расстоянием. Именно эту связь ученые используют для передачи квантовой информации. Важно понимать, что при телепортации не перемещается сама частица, а передается ее квантовое состояние.
(a) Концептуальная схема эксперимента. Алиса подготавливает кбит |????⟩????, который она хочет перенести на фотон в узле Боба посредством квантовой телепортации состояния. Алиса кодирует |????⟩???? на один фотон, который мультиплексируется с разделением по длине волны в волокно длиной ???????????? для совместного распространения с обычным классическим коммуникационным трафиком к узлу Чарли. Классический сигнал демультиплексируется, чтобы обойти узел Чарли, и повторно мультиплексируется, чтобы продолжить распространение по волокну длиной ????????????. Два фотона, генерируемые на узле Боба, подготавливаются в запутанном состоянии Белла, где один передается для встречного распространения с классическим светом к Чарли, чтобы пройти измерение состояния Белла (BSM) с кубитом Алисы. После обнаружения BSM состояние Алисы разрушается, а фотон, хранящийся в узле Боба, проецируется на состояние ????|????⟩????, где???? - унитарное преобразование Паули, определяемое из результата BSM. (b) Экспериментальная реализация. Квантовые и классические сигналы сосуществуют в 30,2 км намотанного волокна (???????????? = 15,2 км, ???????????? = 15,0 км). Алиса и Боб генерируют пары фотонов в результате спонтанного параметрического преобразования вниз с центральными длинами волн 1290 нм и 1310 нм. Источник Алисы генерирует один фотон, в то время как Боб готовит двухфотонное запутанное состояние Белла. Кубиты кодируются по поляризации, и 1290 нмфотонов от каждого источника передаются Чарли для BSM. Телепортация проверяется с помощью четырехкратного обнаружения совпадений и поляризационного анализа целевого фотона Боба. Классический источник передает 400-гигабитный сигнал C-диапазона (1547,32 нм) через 24 км развернутого волокна, после чего он усиливается и мультиплексируется в 30,2-километровую катушку. После демультиплексирования сигнал распространяется еще по 24 км развернутого волокна до приемопередатчика, что в общей сложности составляет 78,2 км волокна. (FPC = контроллер поляризации волокна, DWDM = мультиплексор с плотным разделением по длине волны, FWDM = O-band/C-band WDM, PPLN = периодически полированный волновод из ниобата лития, ????/2 = полуволновая пластина, ????/4 = четвертьволновая пластина, LP = линейный поляризатор, LCR = жидкокристаллический замедлитель, PBS = поляризационный делитель луча, FBS =50: 50 волоконный соединитель, VDL = переменная оптическая линия задержки, FBG = волоконная брэгговская решетка, CIR = циркулятор, D???? = сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор, C = общий порт, P = порт пропускания, R = порт отражения, EDFA = волоконный усилитель с легированным эрбием). Цитирование: Jordan M. Thomas, Fei I. Yeh, Jim Hao Chen, Joe J. Mambretti, Scott J. Kohlert, Gregory S. Kanter, Prem Kumar; arXiv:2404.10738 [quant-ph]; https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.10738
До недавнего времени считалось, что хрупкие единичные фотоны, несущие квантовую информацию, просто «потонут» в море классического света, циркулирующего по оптоволоконным кабелям. Представьте себе велосипедиста, пытающегося проехать по скоростной автомагистрали в час пик — шансы на успех невелики. Однако, инженеры нашли остроумное решение. Тщательно изучив, как свет рассеивается в оптоволокне, они обнаружили «тихий переулок» — менее загруженную длину волны, на которую и «поместили» свои квантовые фотоны. Дополнительно были использованы специальные фильтры, чтобы отсечь «шум» от обычного интернет-трафика.
(a) Скорость счета шумовых фотонов SpRS в детекторах ????1 и ????2 измерения состояния Белла (BSM) как функция классической мощности запуска ????cl и отношения ???? к минимальной мощности ????min, необходимой для работы одного канала 400 Гбит/с. (b) Видимость распределения излучения Боба ????ent на расстоянии 15,0 км до узла BSM в зависимости от ????cl (вверху) и соответствующее двукратное количество совпадений (CC) нелокальной интерференционной полосы, измеренное в вертикальном (красный) и антидиагональном (синий) базисах для ????cl = 74 мВт (внизу). (c) Видимость интерференции Хонга-У-Манделя ????HOM на расстоянии 30,2 км между фотонами от источников Алисы и Боба в зависимости от ????cl (вверху) и соответствующая четырехкратная интерференционная полоса совпадений при ????cl = 74 мВт (внизу). Пунктирные линии показывают предсказания нашей теоретической модели [49] (см. прил. материалы в ориг. исследовании). Цитирование: Jordan M. Thomas, Fei I. Yeh, Jim Hao Chen, Joe J. Mambretti, Scott J. Kohlert, Gregory S. Kanter, Prem Kumar; arXiv:2404.10738 [quant-ph]; https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.10738
Эксперимент был проведен на тридцатикилометровом участке оптоволоконного кабеля. На каждом конце находился фотон, участвующий в процессе запутанности. Одновременно по кабелю передавались квантовая информация и обычный интернет-трафик. В итоге, на принимающей стороне удалось успешно восстановить квантовую информацию, несмотря на «суету» классических данных.
Вещественные и мнимые компоненты матриц плотности, полученные методом томографии одноквантового состояния целевого фотона Боба, при условии успешного BSM, когда мощность запуска 400-гигабитного сигнала C-диапазона в волокно длиной 30,2 км составляет 74 мВт. (a-d) показывают результаты для Алисы, передающей |????⟩???? = |????⟩, |????⟩, |????⟩ и |????⟩, соответственно. (e) Точность матрицы плотности Боба по отношению к идеально подготовленному кубиту Алисы и вычисленная средняя точность. Пунктирная линия показывает предел ???? = 2/3 для самой высокой достоверности, достижимой только с помощью методов, основанных на классической физике [52 ориг. исследования]. Цитирование: Jordan M. Thomas, Fei I. Yeh, Jim Hao Chen, Joe J. Mambretti, Scott J. Kohlert, Gregory S. Kanter, Prem Kumar; arXiv:2404.10738 [quant-ph]; https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.10738
Что же дальше? Ученые не собираются останавливаться на достигнутом. В планах — проведение экспериментов на более длинных дистанциях, а также демонстрация так называемого «обмена запутанностью». Представьте себе возможность запутать частицы, находящиеся в разных точках сети, не имея прямой связи между ними. Это откроет путь к созданию распределенных квантовых сетей, где вычислительные мощности и сенсорные возможности будут объединены в единое целое. Еще один важный шаг — перенос экспериментов из лабораторных условий на реальные, проложенные в земле оптоволоконные кабели.
Разумеется, до массового внедрения квантовой телепортации в повседневную жизнь еще далеко. Но уже сейчас очевидно, что продемонстрированная возможность использования существующей инфраструктуры для квантовых коммуникаций — это настоящий прорыв. Это означает, что нам, возможно, не придется ждать десятилетиями, пока будут построены новые, дорогостоящие сети. Классический и квантовый интернет могут сосуществовать, дополняя и усиливая друг друга. И в этом заключен немалый оптимизм для будущего защищенной и сверхбыстрой передачи информации. Возможно, когда-нибудь в будущем, вопрос «как ты это отправил?» будет звучать совсем иначе, отражая новую эру в мире коммуникаций.
