Квантовый транспорт изображений: новый способ квантовой коммуникации без риска перехвата и потери

Ученые смогли передать информацию об изображении с одного места на другое без физической отправки самого изображения. Этот процесс напоминает квантовую телепортацию, но отличается от нее тем, что не требует классической связи между отправителем и получателем.

Для осуществления этого процесса ученые использовали два фотона, которые были связаны между собой квантовой запутанностью. Квантовая запутанность — это явление, при котором два или более объектов (например, фотонов) находятся в таком состоянии, что изменение одного из них мгновенно влияет на другой, даже если они разделены большим расстоянием. Запутанные состояния позволяют передавать информацию между объектами без риска перехвата или потери, что делает их идеальными для квантовой коммуникации и криптографии.

Однако запутанные состояния обычно имеют низкую размерность, то есть могут кодировать только небольшое количество информации за один раз. Например, двумерное запутанное состояние (кубит) может кодировать только один бит информации — 0 или 1. Для передачи более сложной информации, такой как изображение, требуется большое количество запутанных состояний, что увеличивает сложность и стоимость процесса.

Но что если можно было бы создать запутанные состояния высокой размерности, которые могли бы кодировать больше информации за один раз? Например, пятнадцатимерное запутанное состояние (квинт) может кодировать 15 бит информации — это уже достаточно для передачи некоторых основных характеристик объекта, таких как цвет, форма или текстура. Такие состояния могли бы существенно ускорить и упростить передачу информации, а также повысить ее безопасность и эффективность.

Именно такую задачу поставили перед собой ученые из Университета Витс (ЮАР) и Института фотонных наук (Испания), которые опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications. Они смогли создать запутанные состояния высокой размерности из двух фотонов с помощью нелинейного оптического детектора — устройства, которое может изменять свойства света в зависимости от его интенсивности. Нелинейный детектор позволяет создавать запутанные состояния различной поляризации из двух фотонов. Поляризация света — это направление колебания электрического поля, которое может быть изменено с помощью специальных фильтров, которые пропускают свет только в определенном направлении. Таким образом, можно создать различные комбинации поляризации для двух фотонов и получить различные запутанные состояния.

Для демонстрации передачи информации об изображении ученые использовали следующую схему. Они создали пару запутанных фотонов с помощью нелинейного детектора и отправили один из них (назовем его А) в одно место, а другой (назовем его Б) — в другое. Затем они взяли изображение, которое хотели передать, и подвергли его специальной обработке, чтобы преобразовать его в набор чисел, соответствующих различным поляризациям света. Затем они смешали изображение с фотоном А на нелинейном детекторе, который измерил их совместное состояние. В результате этого измерения фотон Б приобрел информацию об изображении, которая была передана к нему благодаря запутанности, и стал носителем образа изображения, который можно было восстановить с помощью обратной обработки.

Этот метод имеет ряд преимуществ перед другими методами квантовой телепортации. Он не требует дополнительных фотонов для создания высокоразмерных запутанных состояний, что уменьшает затраты и сложность процесса. Он работает для любого изображения, которое можно представить в виде набора чисел, соответствующих поляризациям света. Он обеспечивает высокую безопасность передачи информации, так как никакая информация не перемещается физически, а только появляется у получателя в результате измерения.

Однако этот метод также имеет свои недостатки и условности. Он не является «строгой» телепортацией, и требует яркого лазерного луча для увеличения эффективности нелинейного детектора. Так же отправитель может сохранить копию информации, которую он передает, что нарушает принцип верности телепортации. Он имеет ограниченную точность и разрешение, так как зависит от качества нелинейного детектора и необходимости восстанавливать информацию из запутанных состояний.

С практической точки зрения, конфигурация уже может применяться для создания многомерного защищенного канала для квантовой коммуникации между сторонами, при условии, что протокол не придется снабжать одиночными фотонами, как например в случае с квантовыми ретрансляторами.