Телепортація вже не просто наукова фантастика — вчені знайшли спосіб передавати інформацію чіткіше та ефективніше, ніж будь-коли раніше.
Використовуючи неймовірно крихітний матеріал, який називають нанофотонною платформою, дослідники значно покращили швидкість передачі квантової інформації, навіть за допомогою лише окремих частинок світла. Цей прорив означає, що телепортація одного дня може стати частиною реальних комунікаційних мереж, відкриваючи двері в майбутнє, де інформація швидко поширюватиметься крізь простір способами, які раніше вважалися неможливими.
Нелінійна оптика: ключ до квантової комунікації
Роками дослідники знали, що використання нелінійних оптичних процесів може зробити квантові системи зв’язку надійнішими та стійкішими до певних типів помилок. Але попередні спроби зазнавали труднощів, оскільки ці системи не могли працювати при надзвичайно низьких рівнях освітлення, необхідних для справжньої квантової комунікації.
Тепер команда з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн здійснила значний прорив. Вони створили свою нелінійну систему, використовуючи нанофотонну платформу на основі індію-галію-фосфіду, що значно підвищило ефективність. Їхній підхід працює зі значно меншою кількістю світла, навіть з окремими фотонами, найменшими одиницями світла, пропонуючи перший реальний шлях до практичної квантової комунікації за допомогою нелінійної оптики.
Значні покращення точності та ефективності квантової обробки
«Наша нелінійна система передає квантову інформацію з точністю 94%, порівняно з теоретичною межею в 33% для систем, що використовують лінійні оптичні компоненти», – сказав Кеджі Фанг, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії з Іллінойсу та керівник проєкту. «Це саме по собі демонструє силу квантової комунікації за допомогою нелінійної оптики. Головна проблема, яку потрібно вирішити, – це ефективність. Використовуючи нанофотонну платформу, ми побачили, що ефективність зросла настільки, що це доводить перспективність технології».
Дослідження нещодавно було опубліковано в журналі Physical Review Letters.
Квантова телепортація з нелінійною генерацією сумарної частоти (SFG). Нелінійна нанофотонна платформа значно зменшує багатофотонний шум і призводить до високої точності телепортації.
Як квантова телепортація використовує заплутаність
Передача квантової інформації по мережах спрощується протоколом квантової телепортації. У ньому явище квантової заплутаності – при якому два квантові об’єкти, зазвичай окремі фотони, впливають один на одного, навіть якщо між ними немає видимого фізичного зв’язку – використовується для передачі квантової інформації між відправником і приймачем без передачі її через канал зв’язку. Перевагою цієї процедури є те, що вплив зовнішнього шуму та недосконалостей каналу значно зменшується.
Існує два фактори, що обмежують продуктивність квантової телепортації. По-перше, використання стандартних лінійних оптичних компонентів створює неоднозначності в передачі. По-друге, заплутані фотони створюються за допомогою недосконалого процесу, схильного до помилок та надмірного шуму. Зокрема, джерела заплутаності часто виробляють більше однієї пари фотонів одночасно, що робить неясним, чи справді заплутані ці два фотони, що використовуються в телепортації.
Нелінійна оптика: рішення для багатофотонного шуму
«Багатофотонний шум виникає у всіх реалістичних джерелах заплутаності, і це серйозна проблема для квантових мереж», – сказала Елізабет Голдшмідт, професор фізики з Іллінойсу та співавтор дослідження. «Привабливість нелінійної оптики полягає в тому, що вона може пом’якшити вплив багатофотонного шуму завдяки базовій фізиці, що дозволяє працювати з недосконалими джерелами заплутаності».
Нелінійні оптичні компоненти змушують фотони різних частот об’єднуватися та створювати нові фотони на нових частотах. Для квантової телепортації використовується нелінійний процес «генерації сумарних частот» (SFG), у якому частоти двох фотонів додаються, утворюючи новий фотон . Однак, для того, щоб процес відбувся, вихідні два фотони повинні мати певні початкові частоти.
Підвищення ефективності за допомогою генерації сумарної частоти
Коли SFG використовується в квантовій телепортації, протокол не виконується, якщо виявлено два фотони однакової частоти. Це фільтрує основний тип шуму в більшості джерел заплутаних фотонів і дозволяє досягти набагато вищої точності телепортації, ніж це було б можливо в іншому випадку. Основним недоліком є те, що перетворення SFG відбувається з дуже низькою ймовірністю, що робить процес телепортації дуже неефективним.
«Дослідники знали про це вже давно, але це питання не було повністю досліджено через низьку ймовірність успішного SFG», – сказав Фанг. «У минулому найкращим результатом було досягнення 1 на 100 мільйонів. Наше досягнення полягає в реалізації 10 000-кратного збільшення ефективності перетворення до 1 на 10 000 за допомогою нанофотонної платформи».
Погляд у майбутнє: Майбутні застосування квантового зв’язку
Дослідники оптимістично налаштовані щодо подальшого розвитку квантової телепортації з нелінійними оптичними компонентами, яка може стати ще ефективнішою. Вони вважають, що вона знайде застосування в інших протоколах квантового зв’язку, включаючи заміну зв’язків.
