Команда исследователей из Делфтского технологического университета (Нидерланды) успешно использовала квантовую телепортацию как средство коммуникации на расстоянии около трёх метров. В научной статье, опубликованной на страницах Science, особо подчёркивается, что это сделано со стопроцентной надежностью и без нежелательных изменений спинового состояния квантовых битов.

Телепортация считается одной из самых фантастических технологий, с которой связывают радикальное изменение будущего. Однако если для обывателей это мечты о мгновенном перемещении людей и предметов в пространстве, то для физиков – вполне определённая задача передачи состояния между отдельными частицами.

Художественное представление квантовой телепортации (изображение: tudelft.nl).
Художественное представление квантовой телепортации (изображение: tudelft.nl).

«Компьютерра» уже писала об успешной передаче квантовых свойств между двумя фотонами в запутанном состоянии на расстояние в сто сорок три километра и попытках адаптировать квантовую телепортацию для передачи энергии.

Основная идея квантовой телепортации состоит в том, чтобы использовать взаимозависимые квантовые состояния двух или более частиц для передачи информации. Предполагается, что метод будет работать из-за свойства запутанных пар: измерение – а значит, изменение – волновой функции одной из них изменит её у второй независимо от расстояния между ними. Соответственно, если спиновое состояние одного кубита изменится, то это приведёт к его предсказуемым изменениям в другом кубите.

До недавнего времени все экспериментальные попытки реализовать этот принцип для передачи данных приводили ко множеству непредусмотренных изменений квантовых состояний вовлечённых частиц. В результате различных побочных эффектов процент ошибок был слишком велик. Их нельзя было как-то скорректировать и использовать квантовую телепортацию в реальных приложениях более эффективно, чем существующие технологии.

Экспериментальная установка для квантовой телепортации в Делфтском технологическом университете. Низкотемпературные камеры видны в её дальних углах (фото: phys.org).
Экспериментальная установка для квантовой телепортации в Делфтском технологическом университете. Низкотемпературные камеры видны в её дальних углах (фото: phys.org).

В новом исследовании научной группы из университета в Делфте кубиты получали наиболее надёжным способов среди всех известных – путём захвата электронов в кристаллах алмаза лазерным лучом при сверхнизких температурах. В результате этого процесса получалась система с полностью детерминированным двухкубитовым состоянием (известным в англоязычной литературе как состояние Белла). Между двумя кристаллами, находящимися в одной лаборатории, был установлен прямой канал квантовой телепортации.

Алмазы были выбраны потому, что всякий раз, когда в их кристаллической решётке атом углерода заменяется атомом азота, в оптически прозрачном кристалле формируется естественная электронная ловушка.

Один из чипов, использованных для квантовой телепортации. Кристалл алмаза находится точно посередине и содержит регистр квантовых битов (фото: tudelft.nl).
Один из чипов, использованных для квантовой телепортации. Кристалл алмаза находится точно посередине и содержит регистр квантовых битов (фото: tudelft.nl).

Расстояние между двумя криокамерами составило всего десять футов, или чуть больше трёх метров. После подобного эксперимента на Канарских островах, где квантовую телепортацию между лабораторными комплексами в Ла-Пальма и Тенерифе выполнили просто через атмосферу, достижение нидерландской группы не выглядит прорывом. Однако руководитель группы профессор Рональд Хэнсон (Ronald Hanson) поясняет, что дело здесь не только в расстоянии: «Тот факт, что мы можем работать с выбранной электронной ловушкой изолированно, позволяет измерить спин отдельного электрона или даже атомного ядра. Мы можем задать нужный спин этим частицам и считать его впоследствии. Очень важно, что мы делаем это с материалом, из которого легко изготовить компьютерные чипы. Многие верят, что только твердотельные квантовые системы имеют потенциал дорасти до реальной технологии».

Следующей целью авторов исследования станет попытка увеличить расстояние между кубитами до тысячи трёхсот метров: это максимальная удалённость двух лабораторных зданий на территории университетского кампуса. Другие научные группы попытаются тем временем воспроизвести первый результат. Если это удастся, то алмазные спиновые кубиты станут главными кандидатами на создание масштабируемых квантовых компьютеров и сетей передачи данных на основе квантовых вычислений.

Грядущий «квантовый интернет» позволит выполнять безопасную передачу информации, практически исключая возможность незаметного перехвата данных или проведения атаки по типу «человек посередине».

Поклонников Star Trek вынужден разочаровать: телепортация людей, а также других материальных тел в пространстве противоречит современным представлениям о законах физики. Да, мы тоже состоим из атомных ядер, окружённых электронами, но «квантовая телепортация» – лишь созвучный известному в фантастике процессу термин.

Героев "Звёздного пути" давно стоило оштрафовать за нарушение законов физики и превышение скорости света (изображение: trekcore.com).
Героев “Звёздного пути” давно стоило оштрафовать за нарушение законов физики и превышение скорости света (изображение: trekcore.com).

Он появился около двадцати лет назад для описания процесса передачи информации с использованием ЭПР-коррелированных (характеризующихся общей волновой функцией) и заранее подготовленных пар частиц. Для этого применяется какой-либо традиционный канал связи (например, оптический), передача данных по которому не может происходить быстрее скорости света. Так что ни о каком преодолении светового барьера и переносе материи речь не идёт. Однако у метода есть множество реалистичных сфер применения.

«Уникальность нашего метода состоит и в том, что телепортация гарантирует стопроцентную точность передачи данных, – комментирует профессор Хэнсон. – Они всегда будут достигать конечной точки без ошибок».

Наверняка эксперимент группы Рональда Хэнсона найдёт применение и в квантовой криптографии. В частности, он способен помочь в практической реализации известного алгоритма квантового разделения ключей – ЭПР-протокола E91, предложенного Артуром Экертом ещё в 1991 году.