Исследователи из Венского университета и Австрийской академии наук разработали метод записи и чтения квантовых сообщений, которые передаются очень быстро – почти со скоростью света. Метод гарантирует точную расшифровку сообщений, передает пресс-служба Венского университета.

Результаты работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, открывают новые возможности технологических приложений в квантовой коммуникации.

В последние годы ученые плодотворно работают над идеей создания квантового компьютера, – вычислительного устройства, которое передает и обрабатывает квантовую информацию. Единицей информации для такого компьютера является не бит (который принимает одно значение: либо 0, либо 1), как у современных компьютеров, а кубит, который имеет одновременно и значение 0, и значение 1. Эти кубиты передаются с помощью объектов, которые также имеют два состояния, – например, электроны. Если, однако, частица релятивистская, то есть она движется со скоростями, близкими к скорости света, стандартными методами невозможно однозначно расшифровать сообщение, которое несет эта частица, и связь прерывается.

Представим себе следующую ситуацию: Анна и Андрей хотят обменяться сообщениями, используя свойство квантовой частицы, скажем, спин электрона, который является внутренней «формой» вращения частицы, собственным моментом импульса. Андрею нужно получить послание Анны как можно быстрее, поэтому Анна должна отправить электрон с максимальной скоростью, очень близкой к скорости света. Однако такой «закон», как принцип неопределенности Гейзенберга (одна из основ квантовой физики) запрещает с точностью определить скорость и координаты квантовой частицы. Когда электрон движется очень быстро, это означает, что в релятивистском смысле взаимодействие между теорией относительности и квантовой физикой приводит к запутыванию спина и увеличению скорости электрона. Из-за этой корреляции, которая сильнее, чем классически возможная, Андрей не может считывать вращение привычным методом. Могут ли Анна и Андрей улучшить свою стратегию коммуникации?

Группа исследователей во главе с Чаславом Брукнером (Časlav Brukner) из Венского университета и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI-Вена) Австрийской академии наук представила новую альтернативу стандартному алфавиту, который использовали наши Анной и Андрей. Новая технология гарантирует, что сообщение, написанное Анной и прочитанное Андреем, может быть декодировано однозначно, даже когда частица ведет себя одновременно в соответствии с квантовой механикой (из-за принципа неопределенности Гейзенберга) и с теорией относительности (из-за ее очень высокой скорости движения).

Разработанный метод дает новое представление о спине квантовых частиц, которые движутся очень быстро. Таким образом, он изменяет способ, которым Анна пишет сообщение, и способ, которым Андрей читает его. Ключом к этой технике является «перевод» послания. Анна напишет сообщение на стандартном алфавите, который используется, когда электрон находится в состоянии покоя, а когда сообщение будет «мчатся», оно будет переведено на новый алфавит, используемый, когда электрон движется очень быстро. Затем, когда сообщение достигнет адресата, оно снова будет переведено на «стандартный язык» – и Андрей сможет его прочитать в оригинальном виде.

Метод может быть полезен в спутниковой квантовой связи, где частица, несущая сообщение, должна быстро перемещаться между двумя удаленными точками.