Квантовый прорыв: телепортация информации стала ближе к реальности
Ученые нашли способ передавать информацию точнее и эффективнее, чем когда-либо. Используя сверхмалую нанофотонную платформу, исследователи улучшили способы перемещения квантовой информации даже при использовании отдельных частиц света. Это означает, что телепортация может однажды стать частью реальных сетей связи, открывая дверь в будущее, где информация будет проноситься через пространство.
Многие годы специалисты пытались использовать нелинейные оптические процессы для создания надежных квантовых сетей, но сталкивались с ограничениями: такие системы не работали при крайне слабом освещении, необходимом для истинной квантовой связи.
Команда из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне сделала прорыв, создав свою нелинейную систему с использованием нанофотонной платформы индий-галлий-фосфид, значительно повысив эффективность. Их подход работает с гораздо меньшим количеством света, вплоть до отдельных фотонов, мельчайших единиц света, предлагая первый реальный путь к практической квантовой связи с нелинейной оптикой.
«Наша нелинейная система передает квантовую информацию с точностью 94% по сравнению с теоретическим пределом в 33% для систем, использующих линейные оптические компоненты», — сказал Кэджи Фанг, профессор электротехники и вычислительной техники из Иллинойса и руководитель проекта.
«Это само по себе демонстрирует мощь квантовой связи с нелинейной оптикой. Большая проблема, которую нужно решить, — это эффективность. Используя нанофотонную платформу, мы увидели достаточное увеличение эффективности, чтобы показать, что технология является многообещающей», — добавил он.
Квантовая телепортация основана на явлении запутанности — когда два фотона остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними. Это позволяет передавать информацию от одного объекта к другому без фактической передачи сигнала, сводя к минимуму влияние помех и шумов.
«Многофотонный шум возникает во всех реалистичных источниках запутанности, и это серьезная проблема для квантовых сетей, — сказала Элизабет Голдшмидт, профессор физики из Иллинойса и соавтор исследования. — Привлекательность нелинейной оптики заключается в том, что она может смягчить эффект многофотонного шума благодаря базовой физике, что позволяет работать с несовершенными источниками запутанности».
Нелинейные оптические компоненты вызывают объединение фотонов разных частот и создание новых фотонов с новыми частотами. Для квантовой телепортации используется нелинейный процесс «генерация суммарной частоты» (SFG), при котором частоты двух фотонов складываются, образуя новый фотон. Однако для того, чтобы этот процесс произошел, исходные два фотона должны иметь определенные начальные частоты.
Когда SFG используется в квантовой телепортации, протокол не выполняется, если обнаруживаются два фотона одинаковой частоты. Это фильтрует основной тип шума в большинстве источников запутанных фотонов и позволяет достичь гораздо более высокой точности телепортации, чем это было бы возможно в противном случае. Основным недостатком является то, что преобразование SFG происходит с очень низкой вероятностью, что делает процесс телепортации крайне неэффективным.
«Исследователи знали об этом уже давно, но это явление не было полностью изучено из-за низкой вероятности успешного SFG, — сказал Фанг. — В прошлом лучший результат составлял 1 к 100 миллионам. Наше достижение заключается в увеличении коэффициента преобразования в 10 тыс. раз до 1 к 10 тыс. с помощью нанофотонной платформы».
Ученые уверены, что дальнейшее развитие этой технологии приведет к более широкому применению квантовой телепортации — в частности, в обмене запутанностью и других протоколах защищенной связи.
