Физики из Российского квантового центра и Московского физико-технического института предложили новый способ передачи квантовой информации между различными типами кубитов посредством электромагнитного поля. Соответствующая статья была опубликована в престижном журнале Nature Communications.

Различные физические системы с потенциалом для квантовой обработки информации можно разделить на две категории, в зависимости от того, в каком виде в них удобно кодировать квантовые биты. В одних, таких как одиночные атомы, квантовые точки, сверхпроводящие цепи удобнее использовать энергетические уровни, или, говоря более общо, дискретную (квантованную) величину. В других системах удобнее кодировать информацию в виде непрерывной величины – например, степень отклонения оптомеханической мембраны от равновесия, или напряжённость электрического поля в оптическом или микроволновом резонаторе.

Поскольку различные квантовые системы имеют свои достоинства и недостатки, они подходят для выполнения различных задач. Поэтому ученые стремятся разработать подход, который позволил бы обмениваться квантовой информацией между кодировками в дискретных и непрерывных степенях свободы. Естественным медиатором такого обмена является электромагнитное поле (проще говоря, свет) – единственный носитель, способный переносить квантовую информацию на значительные расстояния.

К счастью, благодаря своей дуальной корпускулярно-волновой природе, свет может поддерживать обе кодировки. Дискретной кодировкой является поляризация (направление вектора колебаний в электромагнитной волне) фотона, а непрерывной – напряжённость электрического поля. Однако до сих пор технология преобразования квантовой информации из дискретной кодировки в непрерывную и обратно для света не была разработана. Именно эту задачу и решили физики из РКЦ и МФТИ.

Одним из способов передачи информации в квантовых системах является квантовая телепортация. Но это не та телепортация, которую мы привыкли видеть в кино. При квантовой телепортации не происходит физической передачи объекта на расстояние, передается лишь квантовое состояние с одной частицы на другую с помощью вспомогательного запутанного состояния.

Установка для телепортации кубитов/РКЦ

В своей работе ученые сгенерировали запутанное состояние между поляризационным и волновым кубитами. Затем они изготовили ещё один, поляризационный кубит и применили процедуру телепортации. При этом фотон, несущий поляризационный кубит, уничтожился, но его состояние – квантовая информация, содержащаяся в этом кубите, не пропало: оно перенеслось на волновой кубит благодаря явлению квантовой нелокальности. Предполагается, что развитие этого способа запутанности приблизит эру оптических квантовых коммуникаций и квантового интернета.

«Объединение преимуществ квантовых состояний, закодированных в дискретных и непрерывных переменных, откроет новые горизонты для применения квантово-оптических технологий на практике», – прокомментировал Александр Уланов, один из авторов работы, аспирант МФТИ, научный сотрудник лаборатории квантовой оптики Российского Квантового Центра.