Исследователи добились точности квантовой телепортации в 94 %, усовершенствовав нелинейную оптику с помощью нанофотонной платформы и решив основные проблемы, связанные с шумом и эффективностью. Источник: SciTechDaily.com
Телепортация — это уже не просто научная фантастика. Учёные нашли способ передавать информацию более чётко и эффективно, чем когда-либо прежде.
Используя невероятно тонкий материал под названием нанофотонная платформа, исследователи значительно повысили эффективность передачи квантовой информации
даже с помощью отдельных частиц света. Этот прорыв означает, что телепортация
однажды может стать частью реальных коммуникационных сетей, открыв путь в будущее, где информация будет передаваться через пространство способами, которые раньше считались невозможными.
Нелинейная оптика: ключ к квантовой коммуникации
Исследователям уже много лет известно, что использование нелинейных оптических процессов может сделать системы квантовой связи более надёжными и устойчивыми к определённым типам ошибок. Но предыдущие попытки не увенчались успехом, поскольку эти системы не могли работать при крайне низком уровне освещённости, необходимом для настоящей квантовой связи.
Теперь команда из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне совершила настоящий прорыв. Они создали свою нелинейную систему на основе нанофотонной платформы из фосфида индия и галлия, что значительно повысило её эффективность. Их подход
работает с гораздо меньшим количеством света, вплоть до отдельных фотонов — мельчайших частиц света, — и открывает первый реальный путь к практической квантовой коммуникации с использованием нелинейной оптики.
Значительное повышение точности и эффективности квантовых вычислений
«Наша нелинейная система передаёт квантовую информацию с точностью 94 % по
сравнению с теоретическим пределом в 33 % для систем, использующих линейные оптические компоненты, — сказал Кеджи Фанг, профессор электротехники и вычислительной техники в Иллинойсском университете и руководитель проекта. — Уже
одно это демонстрирует возможности квантовой связи с использованием нелинейной оптики. Основная проблема, которую нужно решить, — это эффективность. Используя нанофотонную платформу, мы добились повышения эффективности, которое показало перспективность технологии».
Квантовая телепортация с нелинейной генерацией суммарной частоты
Квантовая телепортация с использованием нелинейной генерации суммарной частоты (SFG). Нелинейная нанофотонная платформа значительно снижает уровень многофотонного шума и обеспечивает высокую точность телепортации. Источник: Инженерный колледж Грейнджера при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне
Как квантовая телепортация использует запутанность
Передача квантовой информации по сетям осуществляется с помощью протокола квантовой телепортации. В нём используется явление квантовой запутанности, при котором два квантовых объекта, обычно одиночные фотоны, влияют друг на друга, даже если между ними нет очевидной физической связи. Это позволяет передавать квантовую информацию между отправителем и получателем без передачи по каналу связи. Преимущество этого метода в том, что он значительно снижает влияние внешних шумов и несовершенств
канала.
Есть два фактора, которые ограничивают эффективность квантовой телепортации. Во-первых, использование стандартных линейных оптических компонентов приводит к неизбежным неточностям при передаче. Во-вторых, запутанные фотоны создаются с помощью несовершенного процесса, подверженного ошибкам и избыточному шуму. В частности, источники запутанности часто производят более одной пары фотонов одновременно, из-за чего неясно, действительно ли два фотона, используемые в телепортации, запутаны.
Нелинейная оптика: решение проблемы многофотонного шума
«Многофотонный шум возникает во всех реальных источниках запутанности и представляет собой серьёзную проблему для квантовых сетей, — говорит Элизабет Гольдшмидт, профессор физики из Иллинойса и соавтор исследования. — Привлекательность
нелинейной оптики заключается в том, что она может смягчить эффект многофотонного шума за счёт лежащих в её основе физических принципов, что позволяет работать с несовершенными источниками запутанности».
Нелинейные оптические компоненты заставляют фотоны с разными частотами
объединяться и создавать новые фотоны с новыми частотами. Для квантовой телепортации используется нелинейный процесс «генерации суммарной частоты» (ГСЧ), при котором частоты двух фотонов складываются, образуя новый фотон. Однако для того, чтобы этот процесс произошёл, исходные два фотона должны иметь определённые начальные частоты.
Повышение эффективности за счёт суммирования частот
При использовании SFG в квантовой телепортации протокол не запускается, если обнаруживаются два фотона одной частоты. Это позволяет отфильтровать основной тип шума в большинстве запутанных фотонных источников и обеспечивает гораздо более высокую точность телепортации, чем это было бы возможно в противном случае. Главный недостаток заключается в том, что преобразование SFG происходит с очень низкой вероятностью, что делает процесс телепортации крайне неэффективным.
«Исследователям давно было известно об этом явлении, но оно не было изучено в полной мере из-за низкой вероятности успешного преобразования света в электричество, — сказал Фан. — В прошлом наилучший результат составлял 1 к 100 миллионам. Наше достижение — увеличение эффективности преобразования в 10 000 раз до 1 к 10 000 с помощью нанофотонной платформы».
Заглядывая в будущее: перспективные области применения квантовых коммуникаций
Исследователи с оптимизмом смотрят на перспективы дальнейшего развития квантовой телепортации с использованием нелинейных оптических компонентов. Они считают, что этот метод найдёт применение в других протоколах квантовой связи, включая обмен запутанностью.
Источник: SciTechDaily
