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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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.

Многомерный квантовый транспорт на основе нелинейного детектирования. В представленной концепции информация кодируется на когерентном источнике и перекрывается одним фотоном из запутанной пары в нелинейном кристалле для повышающего преобразования путем генерации суммарной частоты, причем последний действует как детектор нелинейной пространственной моды. Яркий источник светового сигнала необходим для достижения эффективности, необходимой для нелинейного обнаружения. Информация и фотоны движутся в противоположных направлениях: один из запутанных фотонов Боба посылается Алисе и не имеет никакой информации, в то время как измерение на другом фотоне, совпадающее с преобразованным фотоном, устанавливает перенос информации через квантовую связь.
Многомерный квантовый транспорт на основе нелинейного детектирования. В представленной концепции информация кодируется на когерентном источнике и перекрывается одним фотоном из запутанной пары в нелинейном кристалле для повышающего преобразования путем генерации суммарной частоты, причем последний действует как детектор нелинейной пространственной моды. Яркий источник светового сигнала необходим для достижения эффективности, необходимой для нелинейного обнаружения. Информация и фотоны движутся в противоположных направлениях: один из запутанных фотонов Боба посылается Алисе и не имеет никакой информации, в то время как измерение на другом фотоне, совпадающее с преобразованным фотоном, устанавливает перенос информации через квантовую связь.
Автор: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43949-x Источник: phys.org

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.

3 комментария

Добавить комментарий

П
Раньше были сказочные, теперь квантовые…
2
Дич, которая не работает

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Парк Юрского периода ближе, чем кажется? Ученые нашли кровь динозавра возрастом 115 млн лет

Международная группа исследователей опубликовала в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences статью, которая вызвала серьезные споры среди палеонтологов. Авторы работы изучили...

Почему на чае появляется «бензиновая» пленка, даже если чашка идеально чистая

На поверхности свежего чая иногда появляется тонкая блестящая пленка. Под лампой она напоминает масло или бензин на воде, а если провести ложкой, поверхность ломается на отдельные фрагменты. Чашку...

Обрыв магистрали включает тормоза: как появился автоматический воздушный тормоз Вестингауза

До появления воздушного тормоза остановка длинного поезда зависела не от одного машиниста, а от цепочки людей. По свистку локомотива тормозные кондукторы должны были добраться до ручных тормозов...

Вместо колёс — два винта: как шнекоход ЗИЛ-29061 помогал искать космонавтов

У этой машины вместо колёс — два огромных винта. Она могла ползти по болоту, двигаться по рыхлому снегу и держаться на воде. Зато на обычной дороге её сильная сторона превращалась в...

Домашняя стрижка собак: что ломается в бытовой машинке через месяц и почему

Каждый владелец пушистой собаки хотя бы раз задумывался о покупке собственной машинки для стрижки. Логика на первый взгляд кажется безупречной: стандартный бытовой триммер для мужских стрижек...