Квантовая телепортация выходит за пределы соседних узлов

Физики из Нидерландов сделали ещё один важный шаг в сторону квантового интернета. Они впервые продемонстрировали, что квантовая информация может без сбоев телепортироваться между узлами сети, не связанными друг с другом напрямую. В 2021 году эти же исследователи уже создали первую в мире квантовую сеть с тремя узлами в QuTech (сотрудничество Делфтского технологического университета и TNO). Новое исследование описано в Nature.

Квантовые сети предлагают сверхбезопасный способ передачи информации между различными узлами. Эти узлы могут быть соединены и с помощью обычных оптических волокон, но потери фотонов внутри них не позволяют добиться действительно высокого качества соединения: когда фотон теряется, его квантовая информация также теряется. Использование квантовой запутанности для телепортации информации напрямую с одного узла на другой устраняет этот механизм потерь. Но ранее никому не удавалось обмениваться квантовой информацией между двумя узлами, напрямую не связанными друг с другом в сети.

Сеть с тремя узлами, продемонстрированная на QuTech в 2021 году, использовала кубиты, сделанные из центров азот-вакансий (NV), которые являются дефектами в кристаллической решётке атомов углерода. Каждый узел содержал кубит связи, а один из узлов также включал кубит памяти (сделанный из соседнего атома углерода), который мог хранить квантовую информацию. Таким образом, строительные блоки для запутывания трёх узлов уже существовали ранее, но система была далека от идеальной с точки зрения телепортации.  

Квантовая телепортация

Первым шагом в телепортации квантовой информации от отправителя к получателю является установление запутанности между соответствующими кубитами. Выполнение состояния Белла (BSM) на кубите-отправителе приводит к телепортации его квантового состояния — это означает, что он исчезает из узла-отправителя и появляется в зашифрованном виде в узле-получателе. Затем квантовое состояние можно расшифровать, используя результат BSM, который отправляется получателю по классическому каналу (например, по оптоволокну).

Раньше это делалось только с двумя соседними сетевыми точками, традиционно называемыми Алисой и Бобом. Добавление третьей точки, Чарли, — непростая задача, поскольку запутанность между Алисой и Чарли должна быть создана через Боба, промежуточный узел. Также требуется высокая точность, чтобы телепортация работала.

Шаги оптимизации

Чтобы добиться такой высокой точности, исследователи QuTech внесли несколько изменений. В их предыдущей системе «предвещающие» сигналы, указывающие на запутывание, исходили от тех же фотодетекторов, которые регистрировали фотоны, используемые для запутывания. Но это могло привести к ложным предупреждающим сигналам из-за различных нежелательных процессов, которые генерировал второй фотон. Чтобы избежать этого, команда настроила дополнительный путь обнаружения, который помечает ложные предвестники.

Центры азот-вакансий в образце алмаза используются в качестве кубитов в эксперименте по телепортации

Ещё одна проблема, которую смогли решить исследователи, — это спектральная диффузия, из-за которой кубиты выходили из фазы, снижая точность передачи. Этот процесс оказывал большое влияние на фотоны, испускаемые в более позднее время, поэтому команда сократила окно обнаружения.

Последний набор улучшений касался памяти, используемой для хранения квантовой информации. Во-первых, команда защитила кубит памяти от взаимодействия с соседними ядерными спинами. Для этого они интегрировали импульс магнитного поля в запутывающую последовательность, которая переворачивает кубит памяти через заданные промежутки времени, тем самым усредняя эффекты этих нежелательных взаимодействий. Они также улучшили способность читать кубит памяти. Поскольку одно из состояний кубита памяти имеет большую точность, его считывание не является симметричным. Повторяя процесс считывания, команда отфильтровала «плохие» показания, в конечном итоге повысив точность.

Результат работы и перспективы

После этих улучшений исследователи смогли телепортировать квантовую информацию между несмежными узлами Чарли и Алисы. Во-первых, они перепутали кубит Алисы и Чарли через кубит Боба. Затем Чарли сохранил часть запутанного состояния в своем кубите памяти и подготовил квантовое состояние для телепортации. Применение BSM к Чарли телепортирует состояние к Алисе. Затем исследователи отправили результат BSM Алисе и получили состояние с точностью 71% — выше классической границы 2/3, доказав, что телепортация прошла успешно.

Рональд Хэнсон, исследователь QuTech, руководивший исследованием, говорит, что следующим шагом команды будет увеличение количества кубитов памяти, что позволит запускать более сложные протоколы. Другая цель состоит в том, чтобы заставить технологию работать за пределами лабораторной среды, например, используя уже развернутые оптические волокна в реальной сети.