Международная группа учёных, в которую вошли исследователи из Падерборнского университета, совершила прорыв в квантовой физике: впервые в истории им удалось телепортировать состояние поляризации одиночного фотона от одного квантового источника к другому, физически отделённому от него. Этот эксперимент стал первым успешным случаем квантовой телепортации между двумя независимыми источниками света. Результаты работы опубликованы в престижном журнале Nature Communications.
Для реализации проекта потребовалось около десяти лет — именно столько времени аспиранты и постдокторанты Падерборна потратили на оптические измерения, анализ данных и оценку результатов. Они работали в тесном сотрудничестве с командой профессора Ринальдо Тротта из Римского университета Сапиенца. Эксперимент проводился с использованием свободного оптического канала протяжённостью 270 метров, соединяющего два здания. Хотя такие каналы и имеют ряд практических ограничений — потери из-за дифракции луча, атмосферную турбулентность, фоновый свет и необходимость точного наведения — их успешно преодолевают с помощью адаптивной оптики, систем активного слежения, узкополосных фильтров, детекторов одиночных фотонов с временным стробированием и коллимированных телескопов. Профессор Клаус Йёнс подчеркнул, что это достижение наглядно демонстрирует, что квантовые источники света на основе полупроводниковых квантовых точек могут стать ключевой технологией для будущих квантовых коммуникационных сетей.
Ключевая особенность эксперимента — использование двух совершенно разных квантовых излучателей. Ранее попытки телепортации основывались на фотонах из одного источника, что существенно ограничивало возможности. Благодаря запутанности, при которой свойства частиц оказываются взаимосвязанными, команде удалось передать информацию между двумя независимыми «квантовыми ретрансляторами». Это открывает путь к созданию защищённых систем связи и квантовых вычислительных сетей, где информация не хранится в одном месте, а распределяется между частицами.
Качество телепортации составило 82% с погрешностью менее 1%, что более чем в 10 стандартных отклонений превышает классический предел. Это означает, что квантовое состояние сохраняется при передаче почти без потерь. В эксперименте использовались GPS-синхронизация, сверхбыстрые детекторы одиночных фотонов и методы стабилизации для борьбы с атмосферной турбулентностью. Сами квантовые точки были выращены в Университете Иоганна Кеплера в Линце, а нанофотонные резонаторы — в Университете Вюрцбурга.
Этот успех открывает дорогу к следующей цели — демонстрации «обмена запутанностью» между двумя квантовыми точками. Этот процесс позволяет двум фотонам, никогда не взаимодействовавшим, стать запутанными: берутся две независимые пары, и над одним фотоном из каждой пары проводится измерение Белла, что мгновенно запутывает оставшиеся два фотона. Для квантового ретранслятора это ключевой шаг, позволяющий «сшивать» короткие сегменты запутанности в длинную цепочку без клонирования квантового состояния. Если это удастся, учёные получат первый в истории квантовый ретранслятор с детерминированными источниками запутанных фотонов. Почти одновременно аналогичный результат с использованием частотного преобразования был получен другой немецкой группой из Штутгарта и Саарбрюккена. Вместе эти работы знаменуют важнейший этап для европейской квантовой физики и приближают создание работающего квантового интернета.
Источник: A photon was teleported across 270 meters in stunning quantum breakthrough