Впервые удалось осуществить квантовую телепортацию по оптическому волокну, загруженному потоками интернет-трафика. Успех достигнут благодаря разработанной методике изоляции фотонов с квантовым состоянием от миллионов фотонов с обычной информацией. Это открывает дорогу для создания гибридных интернет-сетей, передающих как классическую, так и квантовую информацию через единую инфраструктуру.
Квантовая телепортация, или квантовая запутанность, — это перспективная техника для быстрого и безопасного обмена информацией между удаленными пользователями. Она предполагает передачу квантового состояния одной системы другой, аналогичной и удаленной, без прямой передачи. Такой обмен возможен благодаря квантовой запутанности, при которой две частицы связаны независимо от расстояния. Вместо физического переноса информации запутанные частицы могут обмениваться данными на огромных расстояниях, оставаясь на своих местах.
«Измерение разрушающего характера двух фотонов — одного с квантовым состоянием, а другого связанного с другим фотоном — переносит квантовое состояние на оставшийся фотон, способный находиться в отдалении. — разъясняет Джордан М. Томас, главный автор нового исследования, в сообщении для прессы Северо-Западного университета. Не требуется передавать фотон на дальние расстояния, однако его состояние всё же закодировано на отдалённом фотоне. — говорит человек. По сути, квантовая телепортация даёт возможность передавать информацию на больших расстояниях без необходимости её транспортировки.
Совместная платформа для двух видов данных.
Волоконная оптика — основа сетей квантовой связи. Но существующие сети уже перегружены потоком обычного интернет-трафика. Многие учёные считали, что квантовая телепортация через эти сети невозможна: запутанные фотоны потеряются среди миллионов классических фотонов. Это как ездить на велосипеде по туннелю, заполненному быстро едущими грузовиками.
«В оптических сетях все сигналы меняют форму на световые импульсы. «В то время как обычные сигналы в классической связи обычно состоят из миллионов частиц света, в квантовой информации используются единичные фотоны», — объясняет Прем Кумар из Северо-Западного университета, возглавивший новое исследование. По этой причине большинство исследователей считали, что квантовая связь требует новых, специально выделенных волоконно-оптических инфраструктур, которые потребуют значительных финансовых затрат для масштабного развертывания.
В исследовании, подробно описанном в журнале Команда Кумара разработала инновационную технику для извлечения запутанных фотонов из обычного интернет-потока. В ходе экспериментального исследования учёные продемонстрировали квантовую телепортацию с использованием имеющихся оптических волокон, что существенно снижает зависимость от инфраструктуры квантовых коммуникаций.
«Это интригующе, ведь мало кто из учёных считал это вероятным. », — говорит Кумар. «Наша работа открывает дорогу для разработки сетях нового поколения – как квантовых, так и классических – с использованием одной общей оптоволокнистой структуры. Это существенный вклад в развитие более совершенных квантовых коммуникаций. ».
Данные доставлены успешно, невзирая на интенсивный интернет-трафик.
Кумар и его команда выбрали наименее загруженные длин волны обычного оптического волокна для размещения запутанных фотонов. Для этого исследователи детально изучили рассеяние света в волокне и поместили запутанные фотоны туда, где этот механизм рассеяния сведен к минимуму. Фильтры были созданы специально для минимизации шума обычного интернет-трафика.
Это значит, что квантовое взаимодействие может происходить без помех обычной передачи данных, даже при ее одновременном присутствии. При выборе подходящих длин волн от строительства новой инфраструктуры можно отказаться. Классические и квантовые коммуникации могут существовать одновременно. », — говорит Кумар.
Исследователи применили катушку оптического волокна длиной 30,2 километра с фотоном на каждом конце для проверки методики. Параллельно с передачей квантовой информации по сети проходил интернет-трафик со скоростью 400 гигабит в секунду. Качество квантовой информации измерялось как на приемном конце, так и в средней точке сети. Квантовая информация была успешно передана при интенсивном интернет-трафике. Эксперты полагают, что в будущем возможно будет поддерживать несколько обычных каналов с суммарной скоростью передачи данных в несколько терабит в секунду.
Команда собирается распространить эксперимент на более длинные дистанции, применяя две пары запутанных фотонов вместо одной. Специалисты также стремятся использовать протокол с реальными подземными оптическими волокнами, а не с лабораторными катушками.