Российские ученые открыли разнородную квантовую телепортацию

Ученые из МФТИ и Российского квантового центра выяснили, как можно заставить кубиты, элементарные ячейки квантового компьютера, обмениваться информацией посредством телепортации даже в том случае, если они построены на базе разных принципов работы. Их выводы были представлены в журнале Nature Communications.

«Объединение преимуществ квантовых состояний, закодированных в дискретных и непрерывных переменных, откроет новые горизонты для применения квантово-оптических технологий на практике», — заявил Александр Уланов, аспирант МФТИ и научный сотрудник Российского Квантового Центра, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Квантовая телепортация была впервые описана на теоретическом уровне в 1993 году группой физиков под руководством Чарльза Бенетта. По их идее, атомы или фотоны могут обмениваться информацией на каком угодно расстоянии в том случае, если они были «запутаны» на квантовом уровне.

Для осуществления этого процесса необходим обычный канал связи, без которого мы не можем прочитать состояние запутанных частиц, из-за чего такую «телепортацию» нельзя использовать для мгновенной передачи данных на астрономические расстояния.

При использовании стандартной процедуры квантовой телепортации отправитель — «Алиса» и получатель — «Боб» обладают двумя частицами, «запутанными» между собой на квантовом уровне. Если «Алиса» хочет телепортировать какую-то другую частицу «Бобу», то она одновременно замеряет состояние, в котором находились обе ее частицы, и передает их по обычной линии связи «Бобу».

Во время этого замера связь между «запутанными» частицами разрушается, и частица Боба переходит в те состояния, в которых находилась частица Алисы во время телепортации. Чтобы узнать, в каком именно состоянии она находилась, необходимы данные замеров, которые Боб может использовать для получения данных о свойствах частицы.

Уланов и его коллеги под руководством Александра Львовского, одного из главных российских специалистов в области квантовой телепортации, задумались о том, можно ли осуществить телепортацию между квантовыми объектами, чья физическая природа кардинально различается.

Дело в том, что ученым пока не удалось создать идеального материала или прибора, который бы позволял осуществлять хранение, передачу и обработку квантовой информации с одинаково высокой эффективностью. Все существующие каналы квантовой связи, а также кубиты, элементарные ячейки квантового компьютера, хорошо справляются только с одной или двумя подобными задачами, и плохо подходят для решения остальных.

По этой причине физики сегодня все чаще думают о создании «разнородных» квантовых машин, в которых каждую из этих задач будет решать наиболее приспособленный материал. Их применение, соответственно, потребует создания технологий, позволяющих передавать квантовую информацию из одного типа кубитов в другой.

Львовский, Уланов и их коллеги успешно решили одну из подобных задач, заставив обменяться информацией два типа ячеек памяти, основанных на двух очень разных квантовых характеристиках света – его поляризации и напряженности электрического поля.

Принципиальные различия между этими свойствами фотонов, как объясняют ученые, заключаются в том, что первая характеристика проявляет дискретную, «прерывистую» природу, а вторая – имеет непрерывный характер.

Как показали опыты российских физиков, их разнородная природа не была препятствием для осуществления квантовой телепортации. Ученые смогли запутать между собой два подобных кубита, превратив их в особые аналоги знаменитого «кота Шредингера», и передать информацию на третий квантовый объект, имевший непрерывную природу, используя классическую методику Беннетта и принципы квантовой механики.

Подобную форму телепортации, по словам Львовского и его коллег, можно использовать в качестве усилителей сигналов в квантово-оптических сетях, в качестве одного из компонентов квантовой памяти и для многих других практических целей.