Голландские физики из QuTech создали первую многоузловую квантовую сеть и продемонстрировали возможность надежной передачи квантовой информации между узлами, не имеющими непосредственного соединения.
Квантовый интернет позволит обмениваться кубитами – элементами квантовой информации, – через сеть. Это откроет возможности для безопасной передачи данных, объединения нескольких квантовых компьютеров для усиления вычислительной мощности и использования высокоточных связанных квантовых датчиков. Узлы такой сети состоят из небольших квантовых процессоров.
Соединение может быть осуществлено обычным оптическим волокном, но потеря фотонов в нём (особенно на больших расстояниях) ограничивает качество или верность соединения. Потеря фотона означает потерю квантовой информации, которую он несёт. Квантовая телепортация предлагает лучший способ надёжной передачи квантовой информации между удалёнными узлами, даже при наличии сетевых соединений с большими потерями. Однако до сих пор никто не смог обмениваться квантовой информацией между двумя узлами, которые не были напрямую связаны друг с другом в сети.
Трехступенчатая телепортация
При квантовой телепортации кубиты исчезают у передатчика и появляются у приемника, не перемещаясь через промежуточное пространство, из-за чего исключена вероятность их потери. Телепортация нуждается в квантовой связи между передатчиком и приемником, надежном способе считывания квантовых процессоров и возможности временного хранения кубитов.
В 2021 году группе исследователей удалось создать первую в мире трехузловую квантовую сеть. Три узла располагались в одном здании на разном расстоянии друг от друга: Алиса, Чарли и Боб. У Боба было физическое соединение с Алисой и Чарли через оптоволокно, что позволяло ему устанавливать связь запутывания с каждым из них. Каждый узел имел коммуникационный кубит. У Боба был ещё один кубит для работы в качестве памяти — он хранил ранее созданную квантовую связь до установления новой.
После установления квантовых связей Алиса-Боб и Боб-Чарли набор квантовых операций создал квантовую связь Алиса-Чарли. Учёные QuTech установили запутанность между тремя узлами и продемонстрировали возможность телепортации кубитов между двумя соседними узлами. В этот раз впервые добились телепортации между несмежными узлами: телепортировали кубиты с узла Чарли на узел Алисы, используя промежуточный узел Боб.
Для этого потребовалось три шага: установить квантовую запутанность между Алисой и Чарли, создать телепортируемый кубит и произвести телепортацию от Чарли к Алисе. Исследователи провели совместное измерение кубита Чарли (отправителя) и его половины запутанного состояния (вторая половина была у Алисы). Это вызвало телепортацию квантового состояния кубита, информация исчезла со стороны Чарли и сразу появилась на стороне Алисы.
Процедура с высокой степенью достоверности
Для достижения телепортации исследователи модернизировали экспериментальную установку. Изменения коснулись системы обнаружения: теперь отдельный путь используется для выявления сигналов запутанности, исключая ложные срабатывания от фотодетекторов, регистрирующих используемые при запутывании фотоны. Помимо этого, была улучшена процедура считывания кубитов и внедрена активная защита кубитов памяти в процессе генерации запутанности.
Команда намеренна расширить объем памяти кубитов для выполнения более продвинутых протоколов.
Предполагается также запуск системы за пределами лабораторных условий, включая использование оптоволоконных линий настоящей телекоммуникационной сети.
Тем временем дальнейшие Усилия будут направлены на отмену шагов первого и второго протокола телепортации. Это означает, что команда сначала создаст кубит для телепортации, прежде чем подготовить телепорт к выполнению процедуры. Такая задача сложна, поскольку квантовая информация, предназначенная для телепортации, должна сохраняться во время запутывания. Тем не менее, такой подход имеет преимущество: телепортация может происходить по требованию, как указывают исследователи.