Фотоны из разных источников впервые передали квантовую информацию
Команда из Штутгартского университета (Германия) сообщила о результате, который долгое время считался ключевым барьером для будущих квантовых сетей. Исследователи впервые передали квантовую информацию между фотонами, созданными разными полупроводниковыми квантовыми точками. Это решение убирает одно из главных ограничений при разработке квантовых повторителей — устройств, которые должны обеспечить передачу квантовых сигналов по существующим оптоволоконным линиям. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Почему квантовая связь так сложна
В основе квантовой коммуникации лежат одиночные фотоны. Их поляризация может быть нулевой или единичной, и любое вмешательство сразу меняет состояние, что делает такую передачу данных естественно защищённой. Однако фотоны постепенно теряют энергию в волокне, а квантовая информация не поддаётся копированию или прямому усилению.
Из-за этого ученым нужны повторители, которые не усиливают сигнал, а восстанавливают его с помощью квантовой телепортации. Для телепортации требуются фотоны, максимально похожие друг на друга, что десятилетиями считалось почти невыполнимой задачей, если речь идёт о разных источниках света.
Квантовые точки как «одноразовые фабрики фотонов»
Группа из Штутгарта подошла к проблеме иначе и использовала нанометровые полупроводниковые островки — квантовые точки. Они работают как сверхточные генераторы одиночных фотонов, которые можно получить по требованию.
«Впервые в мире нам удалось передать квантовую информацию между фотонами, исходящими из двух разных квантовых точек», — отмечает профессор Петер Михлер.
Почти идентичные точки создали специалисты Института исследований твердого тела и материалов имени Лейбница в Дрездене. Первый автор работы Тим Штробель объясняет, что раньше телепортация между фотонами разных квантовых точек не удавалась именно из-за малейших расхождений в их свойствах. По словам учёного, фиксированные уровни энергии внутри таких точек дают возможность формировать строго определенные фотоны и снижать вероятность ошибки.
«Наши партнеры разработали точки, которые отличаются лишь минимально», — добавляет он.
Как прошел эксперимент
Для демонстрации телепортации одна квантовая точка создала одиночный фотон, а вторая — запутанную пару. Один фотон из пары прошел по десятиметровому участку оптоволокна и встретился с одиночным фотоном. Их интерференция — перекрытие волн — передала состояние поляризации второму фотону, который оставался в запутанной паре.
Разница частот между фотонами устранялась с помощью преобразователей частоты, разработанных в Саарландском университете. Это обеспечило их неразличимость, без которой телепортация невозможна.
Михлер подчеркивает, что передача информации между фотонами разных квантовых точек открывает путь к сетям, которые смогут работать на большие расстояния. Этим результатом команда дополняет предыдущий рекорд, когда им удалось сохранить запутанность на протяжении 36-километрового участка оптического кабеля, проложенного по Штутгарту.
Текущая установка показывает вероятность успешной телепортации чуть выше 70%. Исследователи рассчитывают повысить этот показатель, работая над стабильностью квантовых точек.
«Мы хотим улучшить результат за счет усовершенствования технологий производства полупроводников», — поясняет Штробель.
Доктор Симоне Лука Порталупи называет результат важной вехой и подчеркивает, что команда шла к этому много лет. Это открывает путь к абсолютно защищенным каналам связи.
Что это значит в практическом смысле:
- государственные сервисы смогут безопасно передавать данные;
- банки получат защиту от утечек и атак;
- медицинские и личные данные нельзя будет украсть;
- корпоративный шпионаж станет почти невозможным.
«Интересно наблюдать, как эксперименты, направленные на фундаментальные исследования, делают первые шаги к практическому применению», — говорит она.
