На грани будущего: как квантовая телепортация начнёт работать на практике через 10 лет

Команда из Штутгартского университета (Германия) представила результат, который стал важным прорывом для квантовых технологий. Впервые удалось передать квантовую информацию между фотонами, созданными разными полупроводниковыми квантовыми точками. Это открытие решает одну из самых сложных задач при разработке квантовых повторителей, которые необходимы для передачи квантовых сигналов по существующим оптоволоконным линиям. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Communications.

Почему квантовая связь так сложна?

Основой квантовой коммуникации являются одиночные фотоны, которые могут быть в двух состояниях — поляризация "0" или "1". Но важно то, что любое вмешательство в состояние фотона изменяет его. Это свойство обеспечивает естественную защиту данных от внешнего вмешательства. Однако, несмотря на эту защиту, при передаче через волокно фотоны теряют свою энергию, а квантовая информация не может быть усилена или скопирована.

Для того чтобы решить эту проблему, ученым нужны квантовые повторители. Они не усиливают сигнал, а восстанавливают его с помощью квантовой телепортации. Однако для того, чтобы телепортация работала, фотоны должны быть максимально идентичными. Это было большой проблемой, особенно когда фотонные источники различные по природе.

Квантовые точки как "одноразовые фабрики фотонов"

Команда из Штутгарта предложила новый подход. Вместо использования традиционных источников света, они использовали полупроводниковые квантовые точки — нанометровые островки, которые действуют как сверхточные генераторы одиночных фотонов. Эти точки могут создавать фотоны по требованию, что делает их идеальными для квантовых коммуникаций.

"Впервые в мире нам удалось передать квантовую информацию между фотонами, исходящими из двух разных квантовых точек," - отметил профессор Петер Михлер.

Эти квантовые точки были созданы в Институте исследований твердого тела и материалов имени Лейбница в Дрездене, и они позволили минимизировать различия между фотонами, обеспечивая их максимальную идентичность для квантовой телепортации. Тим Штробель, первый автор работы, объяснил, что фиксированные уровни энергии в таких точках дают возможность формировать строго определенные фотоны, что снижает вероятность ошибок.

"Наши партнеры разработали точки, которые отличаются лишь минимально," - добавил Тим Штробель.

Как прошел эксперимент?

Для демонстрации телепортации одна квантовая точка создала одиночный фотон, а другая — запутанную пару. Один фотон из пары прошел через десятиметровый участок оптоволокна и встретился с одиночным фотоном. Интерференция этих двух фотонов передала состояние поляризации второго фотона, который оставался в запутанной паре.

Разницу частот между фотонами устранили с помощью преобразователей частоты, разработанных в Саарландском университете. Это позволило сделать фотоны неразличимыми, что является ключевым элементом для успешной телепортации.

Фото: Устройство, удерживающее отдельные атомы при помощи электрических полей, используется как ключевой элемент квантового повторителя.

Результаты эксперимента и их перспективы

Этот успех открывает новые горизонты для квантовых сетей, которые смогут работать на гораздо больших расстояниях. В предыдущем эксперименте команда уже сохранила запутанность на протяжении 36 километров оптического кабеля, проложенного по Штутгарту. Сейчас вероятность успешной телепортации составляет чуть больше 70%, но ученые уверены, что с усовершенствованием квантовых точек этот показатель можно улучшить.

"Мы хотим улучшить результат за счет усовершенствования технологий производства полупроводников," - пояснил Тим Штробель.

Доктор Симоне Лука Порталупи считает, что это достижение откроет путь к созданию абсолютно защищённых каналов связи.

Практическое значение открытия

Разработка квантовых повторителей и технологий квантовой телепортации имеет огромные практические последствия:

1. Государственные сервисы смогут передавать данные с абсолютной безопасностью.

2. Банки получат защиту от утечек данных и атак.

3. Медицинские и личные данные будут защищены от кражи и утечек.

4. Корпоративный шпионаж станет практически невозможным.

"Интересно наблюдать, как эксперименты, направленные на фундаментальные исследования, начинают двигаться к практическому применению," - говорит Симоне Лука Порталупи.

Сравнение технологий квантовой связи

Ошибка → Последствие → Альтернатива

1. Ошибка: неравенство свойств фотонов из разных источников.
   Последствие: невозможность успешной телепортации квантовой информации.
   Альтернатива: использование почти идентичных квантовых точек, что снижает вероятность ошибок и позволяет выполнять телепортацию.

2. Ошибка: использование стандартных усилителей для квантовой связи.
   Последствие: потеря квантовой информации из-за усиления сигнала.
   Альтернатива: применение квантовых повторителей для восстановления информации через квантовую телепортацию.

3. Ошибка: отсутствие синхронизации частот между фотонами.
   Последствие: невозможность реализации успешной телепортации.
   Альтернатива: использование преобразователей частот для обеспечения неразличимости фотонов.

А что если…

Что если квантовые сети станут массовыми? Это позволит обеспечить полностью защищённые каналы связи для всех пользователей, что сделает невозможным перехват или подслушивание данных.

Что если квантовая телепортация станет доступной для повседневного использования? В этом случае мы сможем отправлять данные мгновенно на любые расстояния, без угрозы их перехвата.

Что если эту технологию начнут использовать в военных и государственных системах? Это обеспечит не только высокую безопасность данных, но и откроет новые возможности для защиты от кибератак.

Плюсы и минусы квантовой связи

FAQ

1. Как работает квантовая телепортация?
Квантовая телепортация основана на передаче квантового состояния между двумя фотонами с помощью их запутанности, без физической передачи самого фотона.

2. Когда можно будет использовать квантовые сети в повседневной жизни?
Хотя технологии находятся на ранней стадии, в ближайшие десятилетия возможно создание первых прототипов квантовых сетей для передачи данных на большие расстояния.

3. Какие сферы получат наибольшую выгоду от квантовых сетей?
В первую очередь это будет важно для государственных служб, банков и медицинских учреждений, где безопасность данных имеет критическое значение.

Мифы и правда

1. Миф: квантовые сети уже доступны для коммерческого использования.
   Правда: квантовые сети находятся на стадии разработки, но уже существуют успешные эксперименты.

2. Миф: квантовая телепортация требует физического перемещения фотонов.
   Правда: телепортация передает квантовое состояние, не перемещая сам фотон.

3. Миф: квантовые технологии создадут уязвимости для систем.
   Правда: квантовая защита данных значительно повышает безопасность передачи информации.

Исторический контекст

Квантовая телепортация была впервые предложена в 1993 году, а в последние десятилетия ученые начали активно разрабатывать практические приложения этой теории. В начале 2000-х годов возникли квантовые точки, которые стали важным элементом квантовых технологий, позволяющим создавать фотоны с заданными свойствами. Развитие квантовых сетей в настоящее время обещает революционные изменения в области безопасности данных.

Три интересных факта

1. Первое использование квантовых повторителей состоялось в начале 2010-х годов, когда ученые впервые смогли передать квантовое состояние на несколько сотен километров с использованием повторителей.

2. Квантовая телепортация была реализована на практике в 2017 году, когда китайские ученые успешно телепортировали квантовое состояние через 1 200 километров.

3. Квантовые точки получили широкое применение не только в квантовых вычислениях, но и в биологии, где они используются для создания датчиков и маркеров.