Реализована квантовая телепортация между двумя удаленными источниками света: шаг к квантовому интернету

Квантовая телепортация — это не перемещение материи в пространстве. Это протокол передачи информации, который лежит в основе будущего квантового интернета. До недавнего времени этот процесс сталкивался с серьезной инженерной проблемой: источники квантового света (квантовые точки) были несовместимы с существующей оптоволоконной инфраструктурой. Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, демонстрирует, как эту стену удалось пробить.

В последнее время, много кто говорит о квантовых сетях. Теоретически они обеспечивают абсолютную защиту данных и объединяют квантовые компьютеры в единый кластер. Но на практике инженеры упираются в физику передачи сигнала. Чтобы построить глобальную сеть, нам нужны три компонента: надежная память, источники запутанных фотонов и способность передавать эти фотоны на огромные расстояния без потерь.

И вот здесь возникает конфликт.

Проблема «последней мили» в квантовой физике

Лучшие кандидаты на роль источников одиночных фотонов сегодня — это полупроводниковые квантовые точки. Это наноразмерные структуры, которые ведут себя как искусственные атомы. Они яркие, быстрые и могут генерировать высококачественные запутанные пары фотонов.

В чем подвох?

Квантовые точки обычно излучают свет в ближнем инфракрасном диапазоне (около 780 нм). Для лабораторного стола это нормально. Для глобальной сети — нет. Стандартное телекоммуникационное оптоволокно, проложенное по дну океанов и под улицами городов, оптимизировано для другой длины волны — 1550 нм (C-band). Свет от квантовых точек в таких кабелях затухает слишком быстро. Сигнал просто не дойдет до получателя.

Вторая проблема — уникальность. Две разные квантовые точки, выращенные даже в идеальных условиях, никогда не бывают идентичными. Они излучают фотоны с чуть разной частотой. А для квантовой телепортации критически важно, чтобы фотоны были неразличимы. Если их можно отличить по цвету, квантовая интерференция разрушается. Протокол не работает.

Авторы нового исследования из Штутгартского университета решили обе проблемы одновременно.

Технология: квантовое преобразование частоты

Ученые создали схему, в которой используются две удаленные друг от друга квантовые точки. Одна работает как источник одиночных фотонов, вторая — генерирует запутанные пары.

Чтобы поженить эти источники с оптоволокном и друг с другом, физики применили квантовое преобразование частоты.

Вместо того чтобы пытаться изменить сами квантовые точки, исследователи меняют свойства фотонов уже после их рождения. Фотоны от обеих точек направляются в специальные волноводы из ниобата лития, где смешиваются с мощным лазером накачки.

В результате происходит нелинейный процесс: энергия фотонов изменяется, и их длина волны сдвигается с неудобных 780 нм до стандартных 1515 нм.

Это дает два важных преимущества:

1. Прозрачность для сети: фотоны теперь могут лететь по стандартному оптоволокну на километры с минимальными потерями.
2. Стирание различий: настраивая лазеры накачки, ученые компенсировали изначальную разницу в частотах двух квантовых точек. На выходе фотоны стали спектрально неразличимы.

Теперь у нас есть идентичные фотоны в телекоммуникационном диапазоне. Можно приступать к телепортации.

Эксперимент: телепортация состояния

Схема эксперимента выглядит так:

1. Источник 1 испускает фотон (Фотон 1), состояние поляризации которого мы хотим телепортировать.
2. Источник 2 создает пару запутанных фотонов (Фотон 2 и Фотон 3).
3. Фотон 1 и Фотон 2 (после конверсии частоты) встречаются на светоделителе, где проводится измерение состояния Белла.

Измерение состояния Белла — это процедура, которая запутывает Фотон 1 и Фотон 2. Как только это происходит, квантовое состояние Фотона 1 мгновенно передается (телепортируется) на Фотон 3. При этом Фотон 1 не перемещается к Фотону 3 физически. Переносится только информация о его поляризации.

Но работает ли это на практике?

Результаты и цифры

Главный критерий успеха в таких экспериментах — это фиделити, или точность телепортации. В классическом мире, если вы пытаетесь угадать состояние кубита или передать его обычными методами, максимальная точность составляет 66.6% (или 2/3).

Любой результат выше этого порога доказывает, что процесс имеет именно квантовую природу.

В данном эксперименте ученые достигли точности 0.721 +- 0.033. Это на 1.6 стандартных отклонения выше классического предела. Телепортация прошла успешно. При этом использовалась временная фильтрация сигнала в окне 70 пикосекунд, что позволило отсечь шумы и повысить качество интерференции.

Видимость двухфотонной интерференции (параметр, показывающий, насколько фотоны действительно неразличимы) составила 30%. Это не идеальный показатель — теоретический максимум ограничен 59% из-за специфики каскадного распада в квантовых точках. Однако даже этого оказалось достаточно для надежной телепортации.

Меняет ли это правила игры?

Ранее подобные эксперименты проводились либо на одной и той же квантовой точке (что бесполезно для сетей), либо на длинах волн, которые затухают в оптоволокне через пару метров.

Это исследование доказывает масштабируемость технологии. Мы видим работающую схему:

• Две разные, независимые точки.
• Преобразование сигнала в стандартный телеком-диапазон.
• Успешная передача квантовой информации.

Что дальше? Уже намечен ряд путей улучшения. Внедрение оптических резонаторов повысит эффективность сбора фотонов. Использование механической деформации кристаллов позволит еще точнее настраивать частоты.

Но принципиальный барьер взят. Полупроводниковые источники теперь можно рассматривать как реальные узлы глобального квантового интернета, а не просто как интересные лабораторные образцы. Квантовая связь вышла из песочницы ближнего инфракрасного диапазона и готова к длинным дистанциям оптоволоконных магистралей.

Источник: Nature Communications