Немецкие исследователи совершили важный шаг к созданию квантового интернета, впервые осуществив телепортацию квантовой информации между фотонами, испущенными двумя разными квантовыми точками. Этот эксперимент, проведённый в Институте оптики полупроводников и функциональных интерфейсов Университета Штутгарта, решает одну из ключевых технических проблем на пути к практической квантовой сети. Такие сети, основанные на законах квантовой физики, обещают сделать коммуникации абсолютно защищёнными от любых кибератак, поскольку любая попытка перехвата информации немедленно оставляет обнаруживаемые следы. Этот принцип безопасности основан на фундаментальном свойстве квантовой механики: измерение запутанной системы, например, при попытке подслушивания, неизбежно нарушает её состояние. В протоколах квантового распределения ключей легитимные пользователи могут выявить такие вмешательства, сравнив часть данных и обнаружив аномалии в корреляциях.
Прорыв, описанный в журнале Nature Communications, заключается в передаче квантового состояния между фотонами из двух независимых источников — ранее это считалось чрезвычайно сложной задачей. В квантовой связи отдельные фотоны выступают носителями информации, которая кодируется через их поляризацию. Профессор Петер Михлер, руководитель исследования, подчеркивает, что успешная телепортация между разными квантовыми точками открывает путь к созданию масштабируемых квантовых сетей, совместимых с существующей оптоволоконной инфраструктурой.
Основное препятствие для квантового интернета — затухание сигнала в оптических волокнах на больших расстояниях. В обычных сетях эту проблему решают усилители, но квантовую информацию нельзя копировать или усиливать, не разрушив её хрупкое состояние. Вместо этого учёные полагаются на квантовые повторители, которые должны регенерировать информацию через телепортацию. Для этого требуются фотоны с практически идентичными свойствами — цветом и временем испускания, что крайне сложно достичь при использовании разных источников.
Исследовательская группа проекта Quantenrepeater.Net разработала специальные полупроводниковые источники света на основе инженерных квантовых точек, которые производят почти неотличимые фотоны. Как объясняет первый автор исследования Тим Штробель, эти искусственные структуры имеют фиксированные энергетические уровни, подобные атомам, что позволяет генерировать одиночные фотоны с чётко определёнными характеристиками. Партнёры из Института исследований твёрдого тела и материалов имени Лейбница в Дрездене создали квантовые точки с минимальными различиями.
В эксперименте состояние поляризации фотона от одной квантовой точки было телепортировано на фотон от второй точки с использованием пары запутанных фотонов. Квантовая запутанность означает, что два фотона разделяют единое квантовое состояние, даже будучи физически разделёнными, что позволяет передавать информацию при взаимодействии. Критически важным элементом стали квантовые преобразователи частоты, разработанные в Университете Саарланда, которые скорректировали небольшие расхождения в частотах фотонов от разных источников.
Успешная телепортация на расстоянии около 10 метров по оптическому волокну — фундаментальный шаг к преодолению гораздо больших дистанций: предыдущие эксперименты показали, что запутанность между фотонами квантовых точек сохраняется при передаче на 36 километров через сеть Штутгарта. Исследователи теперь работают над повышением успешности телепортации, которая сейчас составляет чуть более 70%, совершенствуя производство полупроводников для уменьшения различий между фотонами. Эта работа является частью общенациональной немецкой программы, финансируемой Федеральным министерством исследований и объединяющей 42 академических и промышленных партнёра для создания инфраструктуры будущего квантового интернета. Стоит отметить, что в мире развернулась активная конкуренция в этой области. Помимо немецкой инициативы, ведущие проекты реализуются в Китае (спутник "Мо-Цзы" и проект "Цзиньань"), США (программы Министерства энергетики и QuTech), Нидерландах (консорциум QuTech с фокусом на алмазных центрах), в рамках общеевропейского Quantum Internet Alliance и в Японии (программа Q-LEAP). Подходы различаются, включая использование ионных ловушек, сверхпроводящих кубитов или фотонных чипов.
Источник: Scientists just teleported information using light