Прорыв в квантовом Интернете: телепортация данных между фотонами

Идея квантового Интернета — сети, в которой передача данных абсолютно защищена благодаря применению законов квантовой физики — давно привлекает исследователей. В условиях растущих киберугроз и совершенствующихся средств взлома такие технологии становятся особенно актуальны. Однако создание масштабной инфраструктуры для квантовых коммуникаций остаётся серьёзным вызовом.

Одним из ключевых элементов квантового Интернета являются квантовые ретрансляторы, которые «телепортируют» квантовую информацию между двумя фотонами, исходящую от разных источников — квантовых точек (tiny semiconductor light emitters). Важно отметить, что телепортируется не материал, а квантовое состояние, то есть набор свойств фотона, которые несут информацию.

Именно в разработке квантовых ретрансляторов команда учёных из Университета Штутгарта совершила значительный прорыв. Теперь это не научная фантастика, а реальная физика. Статья о результатах исследования была опубликована в Nature Communications.

Квантовые точки как узлы обмена информацией

Обычные интернет-данные кодируются битами — нулями и единицами. В квантовой же связи роль битов выполняют фотоны: их поляризация соответствует состояниям «0», «1» или суперпозиции. Принципиальное преимущество состоит в том, что состояние фотона невозможно измерить без его изменения. При попытке измерения фотона злоумышленник изменит состояние и сразу будет замечен, что позволяет формировать сеть передачи данных очень устойчивой к перехвату информации.  

Однако, для функционирования такой сети нужен поток фотонов, которые не просто несут информацию, а могут передавать её друг другу без прямой копии посредством эффекта квантовой телепортации. Чтобы телепортировать квантовое состояние, фотоны должны быть практически неразличимы по своим характеристикам — отличия в цвете (частоте) или времени испускания мешают провести надёжную операцию. Это особенно трудно, когда источники находятся в разных местах и технически отличаются друг от друга. 

Штутгардские учёные разработали такие полупроводниковые квантовые точки, в которых, как и в атомах, существуют фиксированные уровни энергии. Такие точки позволяют генерировать одиночные фотоны с чётко заданными характеристиками, что обеспечило высокую степень совпадения свойств фотонов, испускаемых в разных местах.

Как реализуется квантовая телепортация

В описанном в статье «Scientists just teleported information using light», опубликованной в ScienceDaily, эксперименте одна квантовая точка испускает одиночный фотон, а другая генерирует пару запутанных фотонов. Запутанность в данном контексте означает, что состояние одного фотона напрямую связано с состоянием другого, где бы он ни находился.

Один из пары направляется к точке, испускающей одиночный фотон. Взаимодействуя между собой, они порождают эффект интерференции — ключевой момент процесса телепортации. За счёт квантовых свойств информация о поляризации исходного фотона передаётся удалённому фотону из запутанной пары.

Для идеального «совпадения» фотонов группа исследователей под руководством профессора Кристофа Бехера использовала квантовые преобразователи частоты, устраняющие микроскопические расхождения в частоте.

Первые шаги к протяжённым квантовым сетям

Пока эксперимент проведён на оптическом волокне длиной около 10 метров. Однако, накопленный опыт позволяет рассчитывать на возможность сохранения состояния запутанности при передаче информации в оптоволокне для расстояний более 36-километров. Подтверждённая экспериментом вероятность успешной телепортации поляризации фотонов превышает 70%, но команда исследователей стремится её повысить, улучшая точность производства квантовых точек.

В своём отчёте учёные отмечают, что их результаты — не просто итог многолетней работы, но и важный шаг к созданию масштабной квантовой инфраструктуры, совместимой с существующими оптоволоконными сетями.

Заключение

Работа штутгартской команды демонстрирует, что практическая реализация квантового Интернета становится всё более реальной. Технология телепортации информации между фотонами из разных квантовых точек открывает путь к созданию надёжных квантовых ретрансляторов — фундаментальных элементов будущих квантовых сетей. В перспективе это позволит обеспечить более устойчивую и защищённую передачу данных на расстояниях, сопоставимых или даже превышающих современные возможности традиционного Интернета.

Источник: ScienceDaily

Image for illustration only. Image source: Freepik.com