Физики впервые продемонстрировали процесс квантовой телепортации с одного кремниевого чипа на другой. Их система, построенная на принципах интегральной оптики, использует комбинацию нелинейных источников фотонов и линейных квантовых схем.

Такая конструкция обеспечивает одну из самых высоких точностей телепортации на сегодняшний день. Работа опубликована в Nature Physics.

Для построения систем обработки и передачи квантовой информации ученые часто используют принципы интегральной оптики. Оптика обладает несколькими весомыми преимуществами: например, позволяет масштабировать систему, увеличивая ее вычислительные способности.

Работа с квантовыми данными в интегральной оптике, однако, требует реализации нескольких сложных механизмов. Такая система должна уметь генерировать группы одиночных фотонов, управлять ими, а, затем — регистрировать.

В предыдущих работах физики уже сталкивались с проблемой создания генератора с достаточно яркими и различимыми фотонами. Кроме того, объединение источника фотонов с квантовыми схемами (регистраторами) в пределах одного компактного устройства — довольно трудная задача. Несмотря на это, в 2014 году ученым удалось произвести квантовую телепортацию фотона в пределах одного кремниевого чипа.

Теперь международная группа ученых во главе с Даниэлем Ллевеллином (Daniel Llewellyn) из Бристольского университета построила систему, позволяющую произвести квантовую телепортацию с одного чипа на другой.

Она состоит из двух частей — передатчика (5 × 3 миллиметра) и приемника (3,5 × 1,5 миллиметра). Передатчик представляет собой сеть из нелинейных источников фотонов и линейных квантовых схем.

Сначала генерируются две пары фотонов, которые проходят через датчик, определяющий, запутаны ли они. Затем через волноводные каналы они направляются к линейной квантовой схеме (последовательности квантовых опытов). Последний этап — измерение при помощи системы интерферометров Маха — Цендера (это устройство состоит из волновода, который разветвляется на две части; электроды, расположенные по бокам плеч интерферометра снова сводят пучок в единый). Один из запутанных фотонов отправляется в приемник по десятиметровому оптоволоконному кабелю. Приемник производит те же измерения интерферометром, что и передатчик.

Схематическое изображение устройства. а. передатчик b. приемник / Daniel Llewellyn et al. / Nature Physics, 2019

Установка может телепортировать фотоны в пределах одного и двух чипов (в случае с двумя чипами они находились на расстоянии 10 метров друг от друга). Степень совпадения квантовых состояний (точность телепортации) в первом режиме равна 0,906, во втором — 0,885. В работе по телепортации 2014 года физики добились показателя около 0,89.

По словам авторов, их работа может пригодиться в более масштабных проектах на интегральной оптике, которые применимы в сфере квантовой связи и вычислений. Речь идет не только о квантовом компьютере, но и о квантовом сети, реализованной на оптических принципах. Повышение точности передачи данных даст физикам возможность создавать более эффективные средства связи, работающих на основе квантовой телепортации.