Овладение технологиями телепортации квантового состояния частиц на большие расстояния обещает создание коммуникационных сетей нового типа, высокоскоростных и практически недоступных для взлома. В свежем номере журнала Nature Photonics сразу две команды разработчиков сообщили о больших успехах в этой направлении: канадские ученые добились телепортации фотонов на 6,2 километра, а их коллеги из Шанхая — на 14,7 километра в условиях современного мегаполиса.

Технологии телепортации базируются на явлении квантовой запутанности, при котором состояния двух (или большего количества) частиц становятся взаимозависимы. Любые изменения, происходящие с частицей, моментально сказываются на всех остальных «спутанных» с ней. Чтобы телепортировать фотон 1 по каналу квантовой связи, получателю сигнала (традиционно его называют Боб) требуется заранее подготовить пару спутанных фотонов 2 и 3, и передать один из них отправителю (Алисе). У Алисы оказывается два фотона (1 и 3), и она измеряет их квантовое состояние, передавая результат Бобу обычным каналом связи. Измерения, проведенные Алисой над фотоном 3, отразились на спутанном с ним фотоне 2, оставшемся у Боба. Это позволяет Бобу восстановить исходное состояние фотона 1.

На практике подобная система обычно организуется так, что фотон 2 у Боба приобретает ту же поляризацию, которую имел первоначальный фотон 1 Алисы. При этом сам фотон 1 разрушается, а у Боба оказывается фотон, идентичный ему. К сожалению, многочисленные технические проблемы пока что затрудняют сохранение запутанного состояния частиц в течение достаточного долгого времени, а также их передачу.

На схеме показаны: Алиса (А), Боб (В), спутанная пара частиц (EPR), квантовый (пунктиром) и классический (двойной прямой линией) каналы связи

Первые такие эксперименты были проведены в 1997 году, когда фотон удалось телепортировать на несколько миллиметров. В 2012 году австрийские физики сумели увеличить это расстояние до более чем 143 километров, продемонстрировав систему квантовой связи между парой островов Канарского архипелага. В ходе нового исследования команда Вольфганга Титтеля (Wolfgang Tittel) из Университета Калгари добилась телепортации на 6,2 километра, используя для работы обычные оптоволоконные линии городской связи. Одновременно с ними группа Цзянь-Вэй Паня (Jian-Wei Pan) из Научно-технического университета Китая провела аналогичные эксперименты в Хэфэе. «Пропускная способность» канала у канадцев оказалась выше (17 фотонов в минуту), зато их китайские коллеги добились 50-процентной надежности связи, тогда как в Калгари успешно передать и прочесть результат удавалось лишь примерно для четверти переданных фотонов.

Обозреватели единогласно объявили эти результаты прорывом гораздо более важным, чем эксперименты на Канарских островах, проведенные при помощи мощных лазеров. Обычные линии связи подвержены действию температурного шума, вызывающего постоянные микроскопические изменения длины кабеля. На работе традиционных систем связи это не сказывается, однако для создания квантового канала Титтелю, Паню и их коллегам пришлось решить ряд сложных технических проблем, компенсируя эти колебания.

Ранее физики из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировали успешную телепортацию по оптоволокну более чем на 100 километров, но работа проводилась с использованием специальной линии связи и успешно передать удалось лишь около 1 процента фотонов. Подробно о квантовой запутанности, телепортации, Алисе и Бобе можно прочесть в нашей «Квантовой азбуке».

Автор: Роман Фишман