Исследователям впервые удалось осуществить квантовую телепортацию через оптическое волокно, забитое интенсивным интернет-трафиком, — инженерное достижение, которое ранее считалось практически невыполнимым. В частности, команда разработала методику изоляции фотонов, несущих квантовое состояние, от миллионов фотонов, несущих обычную информацию. Эти результаты открывают путь к созданию нового поколения гибридных интернет-сетей, передающих как классическую, так и квантовую информацию через единую инфраструктуру.
Квантовая телепортация (или квантовая запутанность) — перспективная техника для сверхбыстрого и безопасного обмена информацией между удаленными пользователями. Она предполагает передачу квантового состояния одной системы другой, аналогичной и удаленной, без прямой передачи. Это становится возможным благодаря квантовой запутанности — ключевому явлению, при котором две частицы имеют невидимую связь, независимо от разделяющего их расстояния. Вместо того чтобы физически переносить информацию, запутанные частицы могут обмениваться данными на огромных расстояниях, оставаясь при этом на своих местах.
«Если провести деструктивное измерение двух фотонов — одного, несущего квантовое состояние, и другого, запутанного с другим фотоном, — квантовое состояние передается оставшемуся фотону, который может находиться очень далеко», — объясняет Джордан М. Томас, ведущий автор нового исследования, в пресс-релизе Северо-Западного университета. «Сам фотон не нужно пересылать на большие расстояния, но его состояние все равно оказывается закодированным на удаленном фотоне», — добавляет он. Другими словами, квантовая телепортация позволяет обмениваться информацией на больших расстояниях без необходимости ее пересылки.
Одна инфраструктура для двух типов информации
Волоконная оптика — основная инфраструктура, используемая для создания сетей квантовой связи. Однако большинство существующих инфраструктур уже загромождены миллионами бит обычного интернет-трафика. Многие исследователи полагали, что осуществить квантовую телепортацию через существующие инфраструктуры невозможно, поскольку запутанные фотоны будут «утоплены» среди миллионов классических фотонов. Это все равно что ехать на велосипеде по туннелю, переполненному грузовиками, несущимися на большой скорости.
«В оптических коммуникациях все сигналы преобразуются в свет», — объясняет Прем Кумар из Северо-Западного университета, возглавивший новое исследование. «В то время как обычные сигналы в классической связи обычно состоят из миллионов частиц света, в квантовой информации используются единичные фотоны». Поэтому 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 Optica, команда Кумара предлагает инновационную технику для выделения запутанных фотонов из классического интернет-потока. Исследователи провели первую экспериментальную демонстрацию квантовой телепортации с использованием существующих оптических волокон, тем самым значительно сократив потребность в инфраструктуре квантовых коммуникаций.
«Это очень интересно, потому что немногие исследователи думали, что это возможно», — говорит Кумар. «Наша работа указывает путь к созданию квантовых и классических сетей следующего поколения, использующих единую оптоволоконную инфраструктуру. Фактически, это важный шаг на пути к более продвинутым квантовым коммуникациям».
Успешная передача данных, несмотря на большой интернет-трафик
Методика Кумара и его команды заключается в определении наименее загруженных длин волн обычного оптического волокна для размещения запутанных фотонов. Для этого исследователи точно проанализировали, как свет рассеивается в волокне, а затем поместили запутанные фотоны в точке, где этот механизм рассеяния сведен к минимуму. Фильтры были специально разработаны для минимизации шума обычного интернет-трафика.
(a) Концептуальная схема эксперимента. (b) Экспериментальная реализация. Телепортация оценивается с помощью четырехкратного обнаружения совпадений и поляризационного анализа целевого фотона Боба. Обычный источник передает сигнал C-диапазона со скоростью 400 Гбит/с (1547,32 нм) по 24 км развернутого волокна, после чего он усиливается и мультиплексируется в катушке длиной 30,2 км. После демультиплексирования сигнал распространяется еще по 24 км развернутого волокна до приемника, что в общей сложности составляет 78,2 км волокна.
Это означает, что квантовая связь может осуществляться без помех для обычного трафика, даже если последний одновременно присутствует. «Если мы выберем правильные длины волн, нам не понадобится строить новую инфраструктуру. Классические коммуникации и квантовые коммуникации смогут сосуществовать», — говорит Кумар.
Чтобы проверить свою методику, исследователи использовали катушку оптического волокна длиной 30,2 километра с фотоном на каждом конце. Затем они передавали квантовую информацию параллельно с 400 гигабитами в секунду (Гбит/с) интернет-трафика. Качество квантовой информации измерялось как на приемном конце, так и в средней точке сети. Квантовая информация была успешно передана, несмотря на интенсивный интернет-трафик. Эксперты даже считают, что со временем можно будет поддерживать несколько обычных каналов с суммарной скоростью передачи данных в несколько терабит в секунду.
В качестве следующего шага команда планирует распространить эксперимент на большие расстояния, используя две пары запутанных фотонов вместо одной. Специалисты также надеются применить протокол к реальным подземным оптическим волокнам, а не к лабораторным катушкам.
Читайте все последние новости технологии на New-Science.ru
