Много лет назад Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». Это действительно контринтуитивная концепция, которая на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Два объекта могут находиться друг от друга на большом расстоянии, но они сохраняют «связь» друг с другом через свои квантовые состояния. Разрушив состояние одного объекта (измерив его), мы тем самым узнаём состояние запутанного с ним объекта, на каком бы расстоянии тот ни находился. То есть квантовое состояние первого объекта в момент измерения как бы переходит ко второму объекту, это образно называют квантовой телепортацией.

Сейчас группа китайских физиков впервые в мире осуществила квантовую телепортацию объекта с Земли на орбиту. Результаты эксперимента с «жутким действием на расстоянии» опубликованы 4 июля 2017 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1707.00934).

Специально для этого эксперимента китайцы в прошлом году вывели на солнечно-синхронную орбиту научный спутник Micius. Каждый день он проходит над одной и той же точкой Земли в одно и то же время, что даёт возможность тщательно подготовить эксперимент и провести его в любое время в неизменных условиях, а также повторить при необходимости в тех же условиях. Cпутник Micius оснащён высокочувствительным фотонным детектором и оборудованием для определения квантового состояния отдельных фотонов, отправленных с Земли.

Во время эксперимента квантовая телепортация осуществлялась с разной степенью надёжности (см. диаграмму) на расстоянии 500–1400 км от передатчика до спутника, что является новым мировым рекордом по дальности квантовой телепортации. Раньше такие эксперименты проводились только на Земле, а максимальное расстояние для проверки квантовой запутанности составляло около 100 км. В вакууме передача фотонов происходит более надёжно, они меньше реагируют с окружающими объектами и лучше сохраняют запутанность.

Станция Ngari с передатчиком для эксперимента была построена в горах Тибета на высоте более 4000 м. Станция генерировала запутанные пары фотонов со скоростью 4000 в секунду. Половина из них отправлялась на орбитальную станцию, и там проверялось, сохранилась ли квантовая спутанность после передачи. Вторая половина фотонов оставалась на Земле.

Для улучшения качества передачи исследователи разработали ряд инновационных техник и специальных приборов, в том числе компактный сверхъяркий источник мультифотонного запутывания, аппаратуру для уменьшения расхождения луча, высокоскоростную и высокоточную систему APT (acquiring, pointing, tracking).

Измерения показали, что часть фотонов по прибытии на спутник действительно сохранили запутанность со своими земными «напарниками». В частности, за 32 дня передачи из нескольких миллионов отправленных фотонов запутанными остались 911. Точность передачи составила 0,80±0,01, что заметно превышает классический лимит (см. диаграмму внизу).

Фотоны с одинаковыми квантовыми состояниями с физической точки зрения являются одинаковыми фотонами. Таким образом, можно констатировать, что учёные впервые в истории провели телепортацию объекта с поверхности Земли на орбиту. Ну а в практическом смысле это первый рабочий аплинк по надёжной передаче квантовой информации на очень большие расстояния — с Земли на спутник. Авторы считают, что это важный шаг к созданию квантового интернета в глобальном масштабе.

Теоретически не существует максимального ограничения на расстояние для измерения запутанности, то есть квантовой телепортации. На практике же квантовое состояние фотонов очень хрупкое и разрушается в результате реакции с окружающей средой, поэтому очень важно разработать технологии надёжной передачи запутанных фотонов на большие расстояния.

Квантовая телепортация может найти применение в разных областях: «Телепортация на большие расстояния считается фундаментальным элементом в протоколах, таких как крупномасштабные квантовые сети и распределённые квантовые вычисления, — пишет группа китайских учёных в реферате к научной статье. — Для создания „квантового интернета” в глобальном масштабе требуется значительно расширить расстояние для передачи информации. Многообещающей технологией для этого является использование спутниковой платформы и спутникового канала связи, который может удобно связать две дистанционно удалённые точки на Земле с относительно небольшой потерей сигнала, потому что большую часть пути фотоны проходят в вакууме.

Другим странам теперь будет трудно побить рекорд Китая по дальности квантовой телепортации, потому что ни Евросоюз, ни США не планировали запускать спутники с фотодетекторами специально для такого эксперимента в космосе, а сохранить квантовую запутанность на Земле в оптоволокне длиной 1400 км невероятно трудно.