Создав первую многоузловую квантовую сеть, голландские физики из исследовательского института QuTech впервые показали, что квантовая информация может надежно передаваться между узлами сети, которые не связаны друг с другом напрямую.
Будущие приложения квантового интернета будут основаны на возможности обмена квантовой информацией (т.е. кубитами) через сеть. Это позволит реализовать всевозможные приложения, такие как безопасный обмен информацией, объединение нескольких квантовых компьютеров для увеличения их вычислительной мощности или использование высокоточных связанных квантовых датчиков. Узлы такой квантовой сети состоят из небольших квантовых процессоров.
Они могут быть соединены обычным оптическим волокном, но потеря фотонов в волокне (особенно на больших расстояниях) ограничивает качество или верность соединения. Однако, когда фотон теряется, теряется и квантовая информация, которую он несет. Квантовая телепортация предлагает лучший способ надежной передачи квантовой информации между удаленными узлами, даже при наличии сетевых соединений с большими потерями. Но до сих пор никому не удавалось обмениваться квантовой информацией между двумя узлами, которые не были напрямую связаны друг с другом в сети.
Трехступенчатая телепортация
Как вы можете себе представить, при квантовой телепортации кубиты исчезают на стороне отправителя и появляются на стороне получателя, не пересекая промежуточное пространство — таким образом, вероятность их потери исключена. Телепортация, однако, требует наличия квантовой сложной связи между отправителем и получателем, надежного метода считывания квантовых процессоров и емкости для временного хранения кубитов.
В 2021 году той же команде исследователей удалось создать первую в мире трехузловую квантовую сеть (сеть, соединяющую три квантовых процессора). Эти узлы были расположены на расстоянии друг от друга, в одном здании; один из них (по имени Боб) имел физическое соединение (через оптоволокно) с двумя другими (Алисой и Чарли), что позволяло ему установить с каждым из них связь запутывания (каждый узел имел коммуникационный кубит). У Боба был дополнительный кубит для работы в качестве памяти — он мог хранить ранее созданную квантовую связь, пока устанавливалась новая связь.
После установления квантовых связей Алиса-Боб и Боб-Чарли, набор квантовых операций создал квантовую связь Алиса-Чарли. Исследователи QuTech установили запутанность между тремя узлами и продемонстрировали возможность телепортации кубитов между двумя соседними узлами. На этот раз они впервые добились телепортации между несмежными узлами: они телепортировали кубиты с узла Чарли на узел Алисы, используя промежуточный узел Боб.
Это потребовало трех шагов. Во-первых, между Алисой и Чарли должна была быть установлена квантовая запутанность, как объяснялось выше. Затем нужно было создать телепортируемый кубит. Затем последовал шаг телепортации от Чарли к Алисе: исследователи провели совместное измерение кубита Чарли (отправителя) и его половины запутанного состояния (вторая половина была у Алисы). Это измерение вызвало телепортацию квантового состояния кубита, т.е. информация исчезла со стороны Чарли и тут же появилась на стороне Алисы (получателя).
Процедура с высокой степенью достоверности
Обратите внимание, что квантовое состояние появилось в зашифрованном виде на конце Алисы: ключ шифрования определяется результатом измерения Чарли. Чарли отправляет результат измерения Алисе, после чего Алиса может расшифровать кубит. Как только это будет сделано, квантовая информация может быть использована. Исследователи сообщают, что Алиса смогла восстановить квантовое состояние с точностью 71%. Эксперимент кратко описан в этом видео от QuTech:
Чтобы добиться такой телепортации, исследователи усовершенствовали свою экспериментальную установку несколькими способами, начиная с системы обнаружения. Ранее сигналы, указывающие на запутанность, поступали от тех же фотодетекторов, которые обнаруживали фотоны, используемые для запутывания, что могло привести к ложным сигналам. На этот раз команда установила дополнительный путь обнаружения, чтобы исключить эти ложные сигналы. Они также улучшили процедуру считывания кубитов и реализовали активную защиту кубитов памяти во время генерации запутанности.
Теперь команда планирует увеличить количество кубитов памяти, чтобы запускать более сложные протоколы. Также планируется запустить систему за пределами лаборатории, в том числе через оптические волокна реальной сети.
Тем временем дальнейшие будут направлены на то, чтобы отменить шаги 1 и 2 протокола телепортации, а это означает, что команда попытается сначала создать кубит для телепортации, прежде чем подготавливать телепорт для выполнения телепортации. Это оказывается особенно трудным, поскольку квантовая информация, которую нужно телепортировать, должна быть сохранена во время запутывания. Такой подход все же имеет немалое преимущество, ведь в этом случае телепортация может осуществляться исключительно «по требованию», поясняют исследователи.