Китайские учёные впервые осуществили квантовую телепортацию с записью состояний в твердотельную память

Учёные из Нанкинского университета (Nanjing University) впервые создали относительно простую платформу для квантовой связи, которая откроет возможность развёртывания квантового интернета. В диапазоне частот штатного телеком-оборудования для оптоволоконной связи они смогли передать в запутанных фотонах квантовые состояния. Более того, учёные впервые записали квантовые состояния фотонов в твердотельной памяти, что закрепило успех.

Источник изображения: Nanjing University

Сегодня для передачи квантовых состояний в оптическом диапазоне используется сеть доверенных узлов, на каждом из которых запутанные фотоны с закодированными квантовыми состояниями собираются заново. Повторителей и ретрансляторов для этой задачи пока не придумали. Это затрудняет развёртывание как сетей с квантовой криптографией (с передачей квантовых ключей), так и квантовых вычислительных кластеров, поскольку доверенные узлы приходится создавать чаще, чем через каждые сто километров.

Разработка китайских учёных обещает радикально решить проблему передачи квантовых состояний на большие расстояния. Представленная учёными платформа состоит из пяти структурных компонентов: один для подготовки входного состояния, другой для генерации запутанных пар фотонов (ЭПР) с помощью интегрированного фотонного чипа, третий для измерения состояния Белла, четвёртый для распределения частот и точной настройки, и пятый — это твердотельная квантовая память на основе ансамблей ионов эрбия. Первые четыре компонента раньше использовались для других экспериментов, а пятая — твердотельная память — реализована впервые.

«Квантовая телепортация — это всегда интересный протокол квантовой коммуникации, поскольку он позволяет передавать квантовые состояния, не раскрывая их, — сказал Сяо-Сун Ма (Xiao-Song Ma), глава группы разработчиков. — Для увеличения расстояния передачи состояний в систему квантовой телепортации крайне важно включить квантовую память».

Ещё одним ключевым моментом эксперимента стало использование фотонов с «телекомовской» длиной волны. Это означает, что запутанные фотоны могут передаваться по обычным оптическим каналам с помощью стандартного оборудования передачи без развёртывания новых и экзотических сетей. Тем самым квантовый интернет может развиться на готовой инфраструктуре, что станет доступным и экономичным решением.

В комплексе китайские учёные продемонстрировали возможность распространять явление запутанности без новой сборки запутанных фотонов. Вместо доверенных узлов запутанные состояния записывались в твердотельную память в групповых состояниях атомов эрбия (по сути — в повторителях). Тем самым запутанность распространялась на большие расстояния, обеспечивая передачу квантовых состояний или квантовую телепортацию на гораздо большие расстояния по волоконной сети.

Это нельзя назвать передачей информации — она не передаётся с помощью квантовой телепортации. Но это позволяет установить доверенную связь, а также обеспечить работу кластеров квантовых компьютеров за счёт передачи квантовых состояний и, таким образом, продолжить работу квантового алгоритма на другой платформе, что значительно увеличит мощность квантовых вычислительных платформ.