Хронология: как развивалась квантовая телепортация

Путь технологии, которая может помочь в создании сверхзащищённого квантового интернета.

В начале 20 века учёные полагали, что понимают фундаментальные принципы природы. Атомы — прочный строительный блок всего созданного на Земле, люди доверяли ньютоновским законам движения, и казалось, что большинство проблем физики уже решили.

Однако с появлением теории относительности Эйнштейна, которая заменила классическую (ньютоновскую) механику, учёные поняли, что их знания далеки от полноценных. Интерес вызвала квантовая механика, которая полностью изменила фундаментальные законы физики.

Квантовая телепортация возможна благодаря явлению квантовой запутанности. Явление позволяет создать две частицы, которые полностью зависят друг от друга. Например, у наблюдателя есть два запутанных фотона. Он измеряет их поляризацию или направление, в котором они двигаются. Если у одного фотона вертикальная поляризация, то у другого будет точно такая же поляризация.

Согласно стандартной интерпретации квантовой механики, частицы одновременно находятся в горизонтальном или вертикальном состоянии, пока их не измерят.

Если измерить одну частицу в запутанной паре, то как бы далеко она ни находилась от второй, та сразу же получает всё измеримое состояние. Это как если бы два человека кидали кости и всегда получали одинаковый результат: он всегда случайный, но идентичный у двух людей.

Квантовая телепортация может помочь отправить сигнал или передать информацию. Для этого необходимы три субатомные частицы, например, фотоны. Два из них запутаны друг с другом, а третий содержит кубит — квантовый бит, который нужно отправить.

Допустим, один фотон из запутанной пары находится в Москве, а второй в Новосибирске. В Москве учёный измеряет один из запутанных фотонов и третью частицу одновременно. Он выясняет их свойства относительно друг друга: одинаковые они или противоположны. После измерения частицы разрушаются.

Предположим, учёный выяснил, что частицы противоположны. Он передаёт информацию коллеге из Новосибирска. Второй ученый измеряет свой запутанный фотон и знает, что противоположность его измерения — бит информации, которую он должен был получить.

Исследователи квантовой телепортации обычно генерируют запутанную пару в одном месте. Они измеряют состояние одной из запутанных частиц и сравнивают её с третьей, которая содержит бит информации для отправки. Затем с помощью лазерного луча передают информацию об относительном состоянии частиц вместе со второй запутанной частицей в другое место.

Но так как частицы чувствительны и малы, они могут потеряться. Первые эксперименты по квантовой телепортации включали передачу частиц на небольшие расстояния — несколько сантиметров. Затем ученые научились передавать частицы на несколько километров, а затем на сотни и тысячи километров.

Квантовая телепортация способна помочь в создании сверхзащищённого квантового интернета. Его почти невозможно взломать. Попытка подслушать одну из квантовых передач изменит её. Испорченная передача станет узнаваема, потому что частицы перестанут быть запутанными или передача полностью уничтожится. Таким образом, никто, не имея доступа к запутанной паре частиц, не сможет взломать сеть.

Долгое время учёные не воспринимали идею телепортации серьёзно. Считалось, что она нарушает принцип неопределённости, запрещающий любому измерительному или сканирующему процессу извлекать информацию из атома или другого объекта.

Чем дольше сканируется объект, тем больше на него влияет процесс сканирования. Оно продолжается до тех пор, пока исходное состояние объекта не нарушится так, что нельзя получить достаточное количество информации для создания точной копии. А так как нельзя извлечь все свойства для создания идеальной копии, то сделать её невозможно.

Однако в 1993 году в журнале Physical Review Letters шесть физиков-теоретиков Чарльз Беннетт из IBM, Жиль Брассар, Клод Крепо и Ричард Джозза из Монреальского университета, Ашер Перес из Израильского технологического института и Уильям Уотерс из колледжа Уильямс опубликовали статью, в которой рассказали об использовании парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена, чтобы обойти принцип неопределённости.

Ученые описали, что имея в каждой из лабораторий пару запутанных частиц и возможность обменяться двумя битами информации, можно передать информацию от первой частицы ко второй, которая находится у удалённой лаборатории. Квантовая информация с первой частицы исчезает и восстанавливается на второй благодаря их запутанности.

Тогда ещё неизвестное квантовое явление описали как «телепортинг» и объяснили, чем оно отличается от популярной в научной фантастике «телепортации». Квантовая телепортация не передает энергию или тело на расстоянии.

Команда Беннетта создала квантовую теорию запутанности и предложила несколько методов для точной передачи классической и квантовой информации через шумные каналы.

Под руководством Антона Цайлингера из Университета Инсбрука и Франческо де Мартини из Университета Рима прошла первая экспериментальная квантовая телепортация поляризационного состояния фотона.

В июньском журнале Nature вышла статья, в которой две группы ученых рассказали о телепортации квантового состояния атома. Команда американских ученых телепортировала кубит на основе иона атома бериллия, а австрийская — квантовое состояние иона атома кальция. Эти эксперименты сделали большой шаг в создании квантовых компьютеров и реализации квантовой криптографии.

В этом же году физики Венского университета телепортировали фотоны на расстояние 600 метров через реку Дунай. Для эксперимента учёные использовали канализационную систему под руслом реки, по которой протянули оптоволоконный кабель. По словам учёных, ценность эксперимента в том, что они провели его в условиях, максимально приближённых к реальным.

Учёные впервые передали информацию между светом и веществом: квантами лазерного излучения и атомами цезия. Исследователи из Института квантовой оптики имени Макса Планка в Гархинге и Института Нильса Бора в Копенгагене перенесли квантовое состояние светового импульса в макроскопический объект — ансамбль из 10-12 атомов.

Физики впервые телепортировали квантовое состояние кубита на один метр. До этого телепортация удавалась на более короткие расстояния.

В эксперименте физиков из Научно-технического университета Китая и Университета Цинхуя квантовое состояние фотонов передалось на 16 км. Средняя точность передачи достигла 89%, что превышало предел предыдущих исследований на две трети. Исследование подтвердило возможность квантовой телепортации в космосе и шагом вперёд в использовании квантовой коммуникации в глобальном масштабе.

Группа китайских ученых сообщила, что они провели квантовую телепортацию через озеро Цинхай — на расстояние 97 км. Предыдущий рекорд — 16 км, установленный этими же исследователями.

Через восемь дней после сообщения китайских ученых европейская и канадская группы рассказали, что передали информацию с одного из Канарских островов к другому. Так они увеличили расстояние до 143 км.

Физики Делфтского технического университета (Нидерланды) продемонстрировали квантовую телепортацию между двумя кубитами, отдалённых друг от друга на три метра. Ученые достигли точной телепортации квантовой информации на короткие расстояния. Это стало важным шагом на пути к созданию квантового интернета.

Спустя несколько месяцев исследователи из Университета Женевы провели эксперимент, в котором телепортировали фотон с помощью оптоволоконного кабеля на рекордное расстояние для этого типа передачи — 25 км. Команда побила свой же рекорд, установленный в 2003 году.

Группа учёных из Национального института стандартов и технологий США телепортировала фотоны по оптоволоконному кабелю на 102 км. Новую технологию можно использовать для создания устройств — квантовых ретрансляторов. Они периодически могут передать данные, чтобы расширить охват сети и, возможно, этого будет достаточно, чтобы построить квантовый интернет.

В Китае совершили первую квантовую телепортацию с Земли на орбиту. Физики из Шанхая заявили, что переправили информацию с квантового спутника «Мо-цзы» на станцию слежения на Земле. Так ученые телепортировали одиночные фотоны с наземной обсерватории на спутник на околоземной орбите, удалённый от нее на 1400 км. Успешная реализация открыла дорогу к сверхдальней телепортации и стала первым шагом на пути к созданию квантового интернета.

#будущее