Ученые стали на шаг ближе к сложной квантовой телепортации

Австрийские исследователи разработали новый метод запутывания фотонов, при помощи которого можно объединить сразу три фотона, повысить эффективность передачи данных в квантовой системе и тем самым приблизиться к эффективной квантовой телепортации. 

Таким технологиям будущего, как квантовые компьютеры и квантовая криптография, необходимо экспериментальное освоение сложных квантовых систем. Ученые из Венского университета и Австрийской академии наук достигли новых высот в этом вопросе. Они попытались использовать более сложные квантовые системы, нежели двумерно запутанные кубиты, чтобы увеличить информационную емкость при помощи того же числа частиц. Разработанные методы и технологии в будущем могут помочь в телепортации сложных квантовых систем. Работа об этом опубликована в журнале Nature Photonics.

Подобно битам в традиционных компьютерах, кубиты — наименьшие единицы информации в квантовых системах. Большие компании вроде Google и IBM соперничают с исследовательскими институтами со всего мира, пытаясь создать все большее число запутанных кубитов и разработать функционирующий квантовый компьютер. Однако группа исследователей из Венского университета и Австрийской академии наук выбрала другой путь для увеличения емкости информации в сложных квантовых системах. Их идея проста: вместо того чтобы увеличивать количество используемых частиц, повышается сложность каждой системы.

«Особенность нашего эксперимента в том, что в нем впервые запутываются три фотона, а не два, как обычно», — объясняет Мануэль Эрхард, ведущий автор исследования.
 

 
Чтобы достичь этой цели, венские физики использовали квантовые системы более чем с двумя возможными состояниями: в этом случае речь идет об угловом моменте отдельных частиц света. Эти отдельные фотоны имеют более высокую информационную емкость, нежели кубиты. Но запутывание этих частиц света оказалось достаточно сложным на концептуальном уровне. Исследователи преодолели эту сложность при помощи новаторской идеи — компьютерного алгоритма, автономно ищущего пути для экспериментального осуществления.

С помощью компьютерного алгоритма, который исследователи назвали Melvin, они нашли экспериментальную установку для воспроизведения этого типа запутывания. Сначала было крайне сложно, но в целом работало. После некоторых упрощений физики все еще сталкивались с серьезными технологическими препятствиями. Команда смогла разрешить проблему при помощи уникальной лазерной технологии и специально разработанного мультипорта.

«Мультипорт — сердце нашего эксперимента; он объединяет три фотона так, чтобы они были запутаны в трех измерениях», — объясняет Эрхард.

Своеобразное свойство трехфотонного запутывания в трех измерениях позволяет экспериментально исследовать новые фундаментальные вопросы о поведении в квантовых системах. К тому же результаты работы могут оказать серьезное влияние на будущие технологии, например квантовую телепортацию.

«Думаю, методы и технологии, которые мы разработали, позволяют нам телепортировать большую часть общей квантовой информации одного фотона, что может быть важно для сетей квантовой коммуникации», — объясняет исследователь Антон Зейлингер.