Дальность квантовой телепортации достигла 97 километров

Сотрудники Научно-технического университета Китая и Шанхайского института технической физики сумели телепортировать кубиты на рекордно большое расстояние в 97 км.

Оборудование, которое использовали Алиса (b), Боб (c) и Чарли (а) для передачи квантового состояния. PI — зеркало с пьезокерамическим приводом, PBS — поляризационный светоделитель, HWP и QWP — полу- и четвертьволновая пластинки, BS — светоделитель, DM — дихроическое зеркало, IF — интерференционный фильтр, BBO и LBO — кристаллы, используемые для создания пар запутанных фотонов и удвоения частоты, CL — цилиндрическая линза, T1, T2, R1 и R2 — детекторы. (Иллюстрация авторов работы.)

Напомним: Квантовая телепортация была впервые реализована пятнадцать лет назад. В том лабораторном опыте использовались фотонные кубиты, которые, как позже выяснилось, отлично подходят и для работы в «реальных условиях»: уже в начале двухтысячных появились сообщения о телепортации на расстояние в ~1 км по оптоволокну. Однако потери в оптоволокне серьёзно ограничивали дальность, что заставило учёных экспериментировать с передачей в свободном пространстве. Два года назад в одном из таких опытов квантовое состояние фотона было передано на 16 километров.

Китайские физики построили свой эксперимент по традиционной схеме, согласно которой в процессе участвуют трое: Алиса (по принятым в криптографии правилам — отправитель), Боб (адресат) и Чарли. У Алисы имеется фотон 1 в произвольном квантовом состоянии, которое необходимо передать Бобу. Чтобы помочь ей, Чарли создаёт пару квантово запутанных фотонов 2 и 3 и отсылает один из них отправителю, а второй — принимающей стороне. Затем Алиса производит измерение над своей системой из двух фотонов и сообщает его результат — по обычному классическому каналу связи — Бобу. Последний, получив сообщение, совершает необходимое преобразование над фотоном 3, приводя его состояние к тому виду, какой имело состояние кубита 1. На этом телепортация завершается.

Физическая реализация этой схемы, предложенная авторами, также не отличается оригинальностью. Для создания запутанных пар фотонов учёные использовали излучение фемтосекундного УФ-лазера, получаемое путём удвоения частоты из импульсов ближнего ИК-диапазона с длиной волны в 788 нм. Подготовленные УФ-импульсы направлялись на кристалл бета-бората бария, где в процессе спонтанного параметрического рассеяния рождались запутанные по поляризации фотоны 2 и 3. Частицу 2 посылали Алисе, расположенной рядом, а фотон 3 по отрезку оптоволокна передавался на обычный телескоп-рефрактор и отправлялся к Бобу, на другой берег горного озера Цинхай. На стороне Боба был смонтирован 40-сантиметровый телескоп-рефлектор, выполнявший функции приёмника.

Единственной нестандартной деталью, которая и обеспечила возможность телепортации на многокилометровое расстояние, стала система слежения. Её задача, как несложно догадаться, заключалась в том, чтобы ориентировать оптические элементы и наладить бесперебойную связь. В состав системы входили непрерывный, работавший на длине волны в 532 нм, и импульсный (отвечавший за синхронизацию) лазеры, установленные на стороне Чарли, а также мощный 671-нанометровый лазер на стороне Боба. Лазерное излучение фиксировалось камерами и так называемыми четырёхквадрантными детекторами (сборками из четырёх детекторов света, соединённых в мостовую схему), и в случае необходимости автоматика подавала сигнал на поворотные платформы и зеркала с пьезокерамическим приводом.

При испытаниях эта система проявила себя с наилучшей стороны. Собирая данные в течение 14 400 секунд, учёные зарегистрировали 1 171 случай успешной квантовой телепортации.

По мнению авторов, построенный ими комплекс слежения, способный быстро и точно реагировать на перемещения, подойдёт и для будущих экспериментов по организации квантовой связи на сверхбольших дистанциях с помощью спутников.

Препринт статьи, подготовленной исследователями из Китая, можно загрузить с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Technology Review.