Квантовая телепортация увеличивает дистанцию

Группе физиков из Австрии и Норвегии удалось поставить новый рекорд по осуществлению квантовой телепортации фотонов. Они смогли передать информацию о состоянии частицы на расстояние в 143 километра. Эти эксперименты, по мнению ученых, могут в дальнейшем стать основой для создания сверхнадежных систем дальней квантовой связи со спутниками.

Фото:

Напомню, что предыдущий рекорд был поставлен почти год назад, 12 мая 2011 года группой китайских ученых. Тогда удалось осуществить квантовую телепортацию на расстояние в 97 километров — с одного на другой берег горного озера Цинхай. Однако команде физиков из Австрии и Норвегии удалось осуществить эксперимент, в результате которого телепортация фотонов была осуществелена на расстояние в 143 км.

Следует заметить, что квантовая телепортация — это совсем не то, что понимают под данным словом писатели-фантасты. Она вовсе не подразумевает мгновенную передачу фотона на громадное расстояние — собственно говоря, телепортируемый фотон вообще никуда не перемещается. Происходит всего лишь передача информации о квантовом состоянии частиц, которые находятся в так называемой квантовой запутанности — то есть их характеристики взаимозависимы, и изменение таковых у одной частицы сразу приводит к аналогичному изменению их у другой.

Собственно говоря, схематично этот эксперимент можно представить в виде вымышленной ситуации, в которой участвуют три персонажа: Алиса (отправитель), Боб (получатель) и Чарли (помощник). Представим, что у Алисы имеется фотон (обозначим его как 1) в произвольном квантовом состоянии. Она должна телепортировать его Бобу. Чтобы помочь ей это сделать, Чарли создает пару квантово запутанных фотонов 2 и 3 и отсылает один из них Алисе, а второй — Бобу. Получив свой фотон номер 2, Алиса производит измерение над имеющейся у нее системой из двух фотонов и сообщает его результат Бобу. Причем сообщение идет по обычному классическому каналу связи (например, посредством электромагнитных волн).

Тот же, получив сообщение, совершает необходимое преобразование над фотоном 3, приводя его состояние к тому виду, какой и какое было у фотона 1 до начала эксперимента. На этом телепортация завершается, и все остаются довольны. Как видите, фотон 1, как был у Алисы, так у нее и остался, была передана лишь информация о его состоянии.

Собственно говоря, на практике эту схему можно реализовать различными способами. Одни из них использовали год назад физики из Поднебесной. Для того, чтобы создать пару запутанных фотонов, они сгенерировали излучение фемтосекундного УФ-лазера, получаемое путем удвоения частоты из импульсов ближнего ИК-диапазона с длиной волны в 788 нм.

Далее эти импульсы направили на кристалл бета-бората бария. В результате получились фотоны, аналогичные тем, что создал Чарли, то есть номер два и номер три. Первый из них отправляли в соседнюю лабораторию (зона Алисы), а второй по отрезку оптоволокна — на телескоп-рефрактор, расположенный на другом берегу озера Цинхай (зона Боба). Всего было зарегистрирован 1171 случай успешной телепортации за 14400 секунд, что является весьма достоверным результатом.

Ныне же эксперимент провели немножко по-другому. Прежде всего, сама 143-километровая дистанция в данном случае пролегала на высоте в 2400 метров в свободном пространстве между двумя островами Канарского архипелага — Ла-Пальма (здесь находились Алиса и Чарли) и Тенерифе (там был Боб). Передача фотона номер 3 в направлении Тенерифе была реализована с помощью семисантиметрового телескопа, а принимал его другой телескоп с более внушительной апертурой — метровой.

Для того, чтобы точно ориентировать оптические системы, физики смонтировали на обеих площадках источники 532-нанометрового лазерного излучения. Ну, а чтобы повысить эффективность регистрации фотонов и отделения полезного сигнала от фона, экспериментаторы установили на стороне Боба высококачественные кремниевые лавинные фотодиоды.

Но даже несмотря на то, что ученые весьма основательно подготовились к этому сложному эксперименту, провести удачную серию опытов им удалось далеко не сразу. Работе постоянно мешала плохая погода: резкие перепады температуры, сильный ветер, дождь и туман. Тем не менее, опыты все же прошли успешно, хотя на то, чтобы завершить их, ученые потратили около года (ибо подготовка началась примерно тогда же, когда китайские ученые доложили о своих результатах научному сообществу).

Для чего же ученым потребовалось проводить эти весьма сложные и дорогостоящие эксперименты? По мнению физиков, квантовая телепортация может в дальнейшем стать основой для создания сверхнадежных систем связи со спутниками. Их преимуществом будет то, что информация будет передаваться практически мгновенно, а сама связь сможет работать и на очень длинных дистанциях. Кроме того, по мнению большинства экспертов, квантовую систему связи не сможет взломать ни один хакер.

Но не будут ли помехой для этой связи погодные условия, как это было в экспериментах на Канарских островах? Ученые уверены, что нет — при связи со спутниками помехи такого рода не должны столь серьезно влиять на оптические сигналы, поскольку большую часть пути оптические сигналы будут идти через весьма разреженные слои атмосферы.

Впрочем, некоторые физики отмечают, что в экспериментах как китайских, так и европейских ученых по осуществлению квантовой телепортации присутствует один серьезный просчет. А именно: Алиса производит измерения состояния запутанной системы в тот момент, когда Чарли только начал отсылку фотона номер три Бобу. То есть телепортация начинается тогда, когда ни о каких 143 или 97 километрах речи еще не идет.

Конечно, процесс завершается лишь после того, как Боб получит информацию по классическому каналу и совершит требуемые преобразования над уже имеющимся у него фотоном, то есть все формальности будут соблюдены, однако некоторые специалисты все равно считают этот факт серьезным недостатком экспериментов, влияющим на достоверность полученного результата…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"