Китайские ученые смогли произвести обмен квантовой запутанности между фотонами из квантово-запутанных пар, разделенных оптоволокном длиной более 100 километров. Этот результат превосходит по расстоянию все предыдущие аналогичные попытки и расширяет возможности квантовой телепортации с обменом запутанности до междугородных масштабов. Результаты исследования опубликованы в Optica.

Квантовая запутанность — способность двух фотонов сохранять взаимосвязанное квантовое состояние. При изменении квантового состояния одного из фотонов моментально изменяется состояние и второго. Примечательно, что при сохранении когерентной связи между двумя фотонами, запутанность можно наблюдать для любого расстояния между ними. Это свойство ученые предложили использовать для механизмов квантовой телепортации — моментальной передачи квантовой информации на расстоянии. Для того, чтобы избежать декогеренции фотонов и потери запутанного состояния, была предложена концепция квантового повторителя. В основе этой концепции лежит использование обмена запутанности (entanglement swapping) между фотонами из двух независимых квантово-запутанных пар. Это приводит к тому, что информация о квантовом состоянии может состоянии может передаваться даже между двумя фотонами, которые находятся на большом расстоянии друг от друга и изначально не были запутаны между собой.

Принципиальная возможность осуществлять квантовую телепортацию с помощью такого обмена была показана как для спутниковой, так и для оптоволоконной передачи фотонов на расстоянии около 100 километров. Однако все эти механизмы осуществлялись только для обмена между фотонными парами, которые были получены с помощью одного источника. Для того, чтобы действительно экспериментально подтвердить обмен запутанности, нужно как минимум два независимых источника запутанных фотонов и отсутствие причинно-следственной связи между событиями, которые приводят к изменению квантового состояния фотонов.

В своем новом исследовании китайские ученые использовали два источника запутанных фотонов с частотой 1 гигагерц, и провели полевой тест по обмену в оптоволоконном кабеле длинной 103 километра. 77 километров этого кабеля находились внутри лаборатории, 25-километровый участок пролегал под землей и еще примерно один километр кабеля находился на открытых участках, подвергаясь воздействию внешних шумов.

Схема эксперимента по обмену запутанности между фотонами на удаленном расстоянии друг от друга. Q.-C. Sun et al./ Optica, 2017

Эксперимент осуществлялся таким образом, что источники и детекторы сигнала были установлены в трех точках. Два независимых источника в точках А и B генерировали оптический сигнал частотой 1 гигагерц. Часть из полученных фотонов оставалась в спиральном оптическом волокне около источника, а другая часть — посылалась без потери когеренции в точку C (желтые линии на схеме). После этого с помощью коротких лазерных импульсов, которые посылались из точки C в точки A и B сигналы синхронизировались (фиолетовые линии на схеме), связывая состояния тех фотонов, которые остались около источника.

В результате эксперимента ученым удалось произвести обмен запутанного состояния между фотонами из точек A и B. Потери сигнала при пересылке составляли не более 16 децибел, что примерно на 20 децибел превосходит предыдущие эксперименты. Таким образом ученые показали, что комбинируя участки спирального и разветвленного оптического кабеля, можно создавать системы квантовой телепортации с обменом запутанности, в которой точки разнесены между собой на 100 километров.

Обмен запутанности — крайне важная задача для создания квантовых повторителей и увеличения длины квантовой телепортации. Недавно ученые смогли создать систему, в которой фотоны из двух независимых запутанных пар могут обмениваться еще и орбитальным угловом моментом, что резко увеличило количество возможной для передачи информации. А максимальное расстояние квантовой телепортации без обмена запутанности уже превышает тысячу километров.

Автор: Александр Дубов