Борьба с «шумом» в квантовой телепортации: ещё один шаг к мгновенной передаче информации

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

Представьте мир, где информация передается мгновенно, безопасно и с абсолютной точностью. Мир, где законы физики играют по другим правилам, а расстояние не имеет значения. Этот мир — не фантастика, а будущее квантовых коммуникаций, которое шаг за шагом становится реальностью.

Автор: Designer

Недавно международная команда ученых под руководством австралийского Центра квантовой динамики совершила прорыв, открывающий новые горизонты в этой области. Исследователи нашли способ борьбы с главным врагом квантовых коммуникаций — шумом, который искажает и разрушает передаваемые данные.

Секрет успеха кроется в удивительном явлении квантовой запутанности. Представьте пару частиц, связанных невидимой нитью, независимо от расстояния между ними. Измерение состояния одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, как будто они общаются на сверхсветовой скорости. Этот «жуткий эффект», как его называл Эйнштейн, — краеугольный камень квантовых технологий.

Однако хрупкая природа запутанности делает ее уязвимой к внешним воздействиям. Шум — будь то тепловые колебания, электромагнитные помехи или другие факторы — разрушает эту тонкую связь, превращая квантовую информацию в бессмысленный набор данных.

Именно здесь на помощь приходит квантовая сеть — сложная паутина, связывающая несколько станций, каждая из которых обладает парой запутанных частиц. Австралийские ученые создали такую сеть из трех станций и провели эксперимент, который пролил свет на удивительные свойства запутанности.

a Экспериментальная установка состоит из подготовки состояния (синяя область) и широковещательного канала с фотонным измерительным столиком (красная область). Мы построили два однофотонных парных источника, накачивая два одинаковых периодически поляризованных кристалла титанилфосфата калия (ppKTP) лазером с синхронизацией моды, центрированным на длине волны 775 нм. Каждый источник производил вырожденные по частоте одиночные фотоны на длине волны 1550 нм с помощью спонтанного параметрического преобразования типа II (SPDC). Один источник (сплошной белый ободок) генерировал максимально запутанное состояние, которое было контролируемо деполяризовано (сплошной белый фон) для настройки параметра α и подготовки состояния Wα в уравнении (4). Второй источник (полосатый белый фон) произвел объявленный фотон анциллы, инициализированный как  H). После широковещательного канала (пунктирный черный ящик) полученное состояние передавалось трем пространственно разделенным сторонам для проективных поляризационных измерений. Одиночные фотоны были обнаружены с помощью сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторов (SNSPD), а преобразователь времени в цифровой формат идентифицировал четырехкратные совпадения в пределах окна 1 нс. b Квантовая схема для активации. Широковещательный канал, выделенный пунктирной рамкой, состоял из элементов C-NOT, Hadamard H) и S, где i представляет собой дополнительную фазу π/2. A, B и C указывают на локальные проективные измерения, выполненные участниками Алисой, Бобом и Чарли. QWP, четвертьволновая пластина; HWP, полуволновая пластина; PBS, поляризационный светоделитель; NPBS, неполяризационный светоделитель; PPBS, частично поляризационный светоделитель.
a Экспериментальная установка состоит из подготовки состояния (синяя область) и широковещательного канала с фотонным измерительным столиком (красная область). Мы построили два однофотонных парных источника, накачивая два одинаковых периодически поляризованных кристалла титанилфосфата калия (ppKTP) лазером с синхронизацией моды, центрированным на длине волны 775 нм. Каждый источник производил вырожденные по частоте одиночные фотоны на длине волны 1550 нм с помощью спонтанного параметрического преобразования типа II (SPDC). Один источник (сплошной белый ободок) генерировал максимально запутанное состояние, которое было контролируемо деполяризовано (сплошной белый фон) для настройки параметра α и подготовки состояния Wα в уравнении (4). Второй источник (полосатый белый фон) произвел объявленный фотон анциллы, инициализированный как H). После широковещательного канала (пунктирный черный ящик) полученное состояние передавалось трем пространственно разделенным сторонам для проективных поляризационных измерений. Одиночные фотоны были обнаружены с помощью сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторов (SNSPD), а преобразователь времени в цифровой формат идентифицировал четырехкратные совпадения в пределах окна 1 нс. b Квантовая схема для активации. Широковещательный канал, выделенный пунктирной рамкой, состоял из элементов C-NOT, Hadamard H) и S, где i представляет собой дополнительную фазу π/2. A, B и C указывают на локальные проективные измерения, выполненные участниками Алисой, Бобом и Чарли. QWP, четвертьволновая пластина; HWP, полуволновая пластина; PBS, поляризационный светоделитель; NPBS, неполяризационный светоделитель; PPBS, частично поляризационный светоделитель.
Автор: Villegas-Aguilar, L., Polino, E., Ghafari, F. et al. Nonlocality activation in a photonic quantum network. Nat Commun15, 3112 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47354-w (CC-BY 4.0) Источник: www.nature.com

Они обнаружили, что добавление третьей станции к сети, как дополнительного звена в цепи, позволяет преодолеть влияние шума и «активировать» квантовую нелокальность — способность частиц влиять друг на друга мгновенно, независимо от расстояния.

Это открытие можно сравнить с созданием резервного канала связи, который включается, когда основной канал зашумлен. Квантовая сеть, как умный организм, адаптируется к условиям среды и находит обходные пути для передачи информации.

Этот прорыв — не просто очередной шаг в квантовых исследованиях, а фундаментальный сдвиг в понимании того, как мы можем использовать запутанность на практике. Он открывает путь к созданию надежных и устойчивых квантовых сетей, способных передавать информацию на огромные расстояния с непревзойденной безопасностью.

В будущем квантовая паутина может охватить весь мир, связав компьютеры, сенсоры и другие устройства в единую информационную систему. Это приведет к революции в самых разных сферах — от медицины и финансов до обороны и космических исследований.

Квантовые коммуникации — это не просто технология будущего, это будущее технологий. И с каждым новым открытием, подобным этому, мы приближаемся к этому будущему с уверенностью и оптимизмом.

2 комментария

a
осталось только погуглить почему это невозможно принципиально...
как только вы считываете информацию квантовое состояние разрушается и переходит в классическое и при новом считывании нельзя предугадать будущее квантовое состояние частицы(спин) и так каждый раз и чтобы согласовать эти параметры надо передать информацию по классическим физическим принципам.
a
Австралийские ученые… это круче, чем британские.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Caps Lock: как спорная клавиша заняла своё место на клавиатуре

Каждый год 22 октября интернет на один день вспоминает про клавишу Caps Lock — энтузиасты отмечают неофициальный праздник, отправляя сообщения исключительно ЗАГЛАВНЫМИ БУКВАМИ. В...

Мы не заметили, как начался и закончился новый ледниковый период: почему глобальное потепление остановило его в 1960 году

Двадцать две тысячи лет назад, во время пика последнего ледникового периода, большая часть Северной Америки находилась подо льдом. Территорию современной Канады и северных штатов США покрывал...

Квантовая интерференция впервые позволила запереть электронные волны внутри металла

В 1929 году физики Джон фон Нейман и Юджин Вигнер опубликовали математический расчет, который противоречил привычным представлениям о поведении волн. В квантовой механике частицы, включая...

Почему на севере дрова хранят на улице под открытым небом

На севере дрова хранят под открытым небом. Их заготавливают на долгую зиму, аккуратно складывая возле дома, где они находятся в любую погоду. В мокрую погоду вода стекает по поленьям, между ними...

Что вообще такое нейтрино? Как устроены частицы, ради которых пробурили Южный полюс и дали уже шестую Нобелевскую премию по физике

Каждую секунду через один квадратный сантиметр земной поверхности — и через тело каждого человека — пролетает около ста миллиардов мельчайших частиц, которые называются...

На остров выпустили 29 северных оленей. Через 19 лет их стало 6000, а затем популяция рухнула почти до нуля

В августе 1944 года на остров Святого Матфея в Беринговом море доставили 29 северных оленей — 24 самки и пять самцов. Их привезли с острова Нунивак как живой запас мяса для сотрудников...