A) Схема чипа: черные линии представляют одномодовые волноводы для одиночных фотонов; красные и синие импульсы представляют энергию фотонов на каждом пути; желтые столбцы представляют внешний контроль фазы. B) Настройка телепортации. C) Настройка обмена «запутанностью». D) Подготовка четырехфотонного состояния
Ученые из Великобритании и Дании провели первую в мире «квантовую телепортацию».
Ученые из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета провели первую в мире «квантовую телепортацию» – они смогли передать квантовое состояние частицы между двумя чипами, что может стать «краеугольным камнем для технологий квантовой связи». Первое сообщение об открытии появилось 23 декабря на странице http://www.bristol.ac.uk/news/2019/december/quantum-teleportation.html.
Квантовые компьютеры могут стать ключом к решению проблем, которые пока слишком сложны даже для самых мощных в мире современных суперкомпьютеров, а «квантовый Интернет», в конечном итоге, сможет защитить информацию от злонамеренных атак.
Эти технологии завтрашнего дня основаны на так называемой «квантовой информации», которая обычно кодируется в виде единичных квантовых частиц, которые чрезвычайно трудно контролировать и измерять. Ученые из Бристольского университета (University of Bristol, https://www.bristol.ac.uk/) в сотрудничестве с Датским техническим университетом (Danmarks Tekniske Universitet, DTU, http://www.dtu.dk/) успешно разработали устройства, которые могут использовать приложения квантовой физики, генерируя и манипулируя отдельными частицами света в программируемых наноразмерных схемах. Данные чипы способны кодировать «квантовую информацию» в свете, генерируемом внутри цепей, и могут обрабатывать «квантовую информацию» с высокой эффективностью и чрезвычайно низким уровнем шума. Данная демонстрация может значительно повысить способность создавать более сложные квантовые схемы, которые требуются в квантовых вычислениях и коммуникациях.
Работа ученых, опубликованная в Nature Physics (https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x), содержит ряд квантовых демонстраций. Так, в одном из экспериментов исследователи из Лаборатории квантовых инженерных технологий Бристольского университета (Quantum Engineering Technology Labs, QET Labs) впервые в мире смогли продемонстрировать «квантовую телепортацию» информации между двумя чипами (программируемыми микросхемами), что, как они отмечают, является «краеугольным камнем квантовой связи и квантовых вычислений».
Квантовая телепортация означает квантовую передачу состояния квантовой частицы из одного места в другое, используя «запутывание». «Телепортация» полезна не только для квантовой связи, но является фундаментальным строительным блоком всех оптических квантовых вычислений. Установление запутанной линии связи между двумя чипами в лаборатории оказалось весьма сложной задачей. Соавтор открытия Дэн Ллевеллин (Dan Llewellyn) заявил: «Мы смогли продемонстрировать высококачественную связь между двумя чипами в лаборатории, где фотоны на каждом чипе находятся в одном квантовом состоянии. Мы осуществили эксперимент по «телепортации» с двумя микросхемами, при котором индивидуальное квантовое состояние частицы передается через две микросхемы после проведения квантового измерения. В этом измерении используется «странное» поведение квантовой физики, которая одновременно разрушает «запутанную» связь и передает состояние частицы другой частице, уже находящейся на чипе приемника».
Другой соавтор открытия, д-р Имад Фарук (Imad Faruque), также из Бристоля, отмечает: «Основываясь на нашем предыдущем результате высококачественных однофотонных источников на кристалле, мы создали еще более сложную схему, содержащую четыре источника. Все эти источники проверены нами и признаны практически идентичными, испускающими почти идентичные фотоны, что является существенным критерием для серии проведенных нами экспериментов, таких как обмен перепутыванием».
Результаты показали чрезвычайно высокую точность квантовой телепортации – 91%. Кроме того, исследователи смогли продемонстрировать и некоторые другие важные функциональные возможности своих конструкций, такие как перестановка «запутывания» (требуется для квантовых повторителей и квантовых сетей) и четырехфотонные состояния (требуются в квантовых вычислениях и «квантовом Интернете»).
По словам соавтора открытия д-ра Янхонга Динга (Yunhong Ding), из DTU, низкие потери, высокая стабильность и отличная управляемость крайне важны для интегрированной квантовой фотоники: «Этот эксперимент стал возможен только благодаря наличию современной технологии кремниевой фотоники с низкими потерями, основанной на высококачественном изготовлении в DTU».
Д-р Джианвэй Ванг (Jianwei Wang), работающий в настоящее время в Пекинском университете, заявил: «В будущем интеграция квантовых фотонных устройств и классических электронных элементов управления с одним чипом откроет двери для полностью квантовых CMOS-совместимых сетей связи и обработки информации на основе чипов».
При осуществлении «квантовой телепортации», помимо передачи информации по квантовому каналу, нужно также осуществить передачу дополнительной информации, необходимой для прочтения сообщения, по классическому каналу. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна – Подольского – Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.
Перехватить передаваемую информацию в квантовых сетях принципиально невозможно: если «злоумышленник» попытается проследить за эволюцией «запутанной» пары, то он тут же разрушит ее «запутанность».
Сторонники так называемой «альтернативной физики» объясняют эффект «квантовой телепортации» принципом предопределения Ковалевской-Пуанкаре-Мотовилова.
Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена еще в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука) и Франческо де Мартини (Университет Рима).
Эксперимент ученых из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета еще на шаг приблизил эру квантовых вычислений и связи.
