Квантовая запутанность (специфическая неклассическая корреляция между квантовыми системами) делает возможным так называемое “сверхплотное кодирование информации”: один квантовый бит может переносить до двух обычных битов [1], что позволяет увеличить пропускную способность канала квантовой связи (роль логических состояний кубита 0 и 1 при этом играют состояния фотона с продольной и поперечной поляризацией).

Основная идея состоит в следующем (рис. 1a). Допустим, что Боб хочет послать Алисе двухкубитное сообщение, но имеет возможность отправлять ей только по одному фотону в день. Так как каждый фотон переносит лишь один бит, то на первый взгляд кажется, что в этой ситуации скорость передачи информации от Боба к Алисе не может превышать 1 бит/день. Но допустим, что накануне Боб приготовил пару запутанных фотонов, один из которых отправил Алисе, а второй оставил себе. Тогда, поворачивая поляризацию оставшегося у него фотона, Боб может “переключать” состояния запутанной пары между четырьмя различными (так называемыми “белловскими”) состояниями. А выбор одного из четырех возможных состояний соответствует двухкубитному сообщению. Выполнив надлежащий поворот, Боб посылает второй фотон Алисе, которая теперь обладает парой запутанных фотонов, проводит над ней “совместное измерение”, определяет, в каком из белловских состояний эта пара находится и читает сообщение. Но почему такое кодирование можно считать “сверхплотным”? Ведь для передачи двух битов Бобу потребовалось два фотона, а не один. Дело в том, что вся информация переносится только одним (вторым) фотоном. После отправки Алисе первого фотона Боб может даже не знать, какое сообщение он захочет послать ей на следующий день.

Два сценария квантового сверхплотного кодирования информации с использованием запутанных (a) и гиперзапутанных (b) фотонов

Для определения состояния запутанной пары Алисе требуется наличие взаимодействия между фотонами, которое в принципе можно организовать, используя нелинейную оптическую среду. Однако это взаимодействие очень слабое, поэтому эффективность такого измерительного устройства оказывается чрезвычайно низкой. Если же Алиса будет использовать для измерения обычную линейную оптику, то ей удастся определить не более трех состояний из четырех, так что Боб сможет передать только log₂3=1.58 бита, и заложенный в запутанности ресурс будет задействован не полностью.

В работе [2] группа американских и канадских физиков использовала для передачи информации не просто запутанные, а так называемые “гиперзапутанные” фотоны (рис. 1b), а именно – такие фотоны, у которых перепутаны не только их поляризационные, но и орбитальные (отвечающие разным проекциям орбитального углового момента) состояния. При этом первые по-прежнему служат для кодирования информации, а последние требуются исключительно для того, чтобы Алиса смогла, оставаясь в рамках линейной оптики, распознать каждое из четырех белловских состояний запутанной пары.

Теоретически гиперзапутанность позволяет передавать по два бита с каждым фотоном. Шумы и неизбежные экспериментальные погрешности приводят, конечно, к уменьшению этой теоретической величины. И тем не менее, даже с учетом такой неидеальности, достигнутая в [2] пропускная способность квантового канала составила 1.63 бит/фотон и превысила, таким образом, “линейный предел” 1.58. Отметим и еще одно преимущество гиперзапутанности: Алисе не требуется хранить состояние первого полученного ею фотона в “квантовой памяти”, пока она ожидает прибытия от Боба второго фотона.

• 1. C.H.Bennett, S.J.Wiesner, Phys.Rev. Lett. 69, 2881 (1992)
• 2. J.T.Barreiro et al., Nature Phys. 4, 282 (2008)