Наука и Техника

Наука И Техника
3 декабря 2015

Физики установили рекорд, передавая квантовую информацию между электронами, находящимися на расстоянии 2 километров друг от друга

Одной из главных проблем в области квантовых коммуникаций и вычислений является необходимость передачи запутанных на квантовом уровне частиц на большие расстояния. В случае успешного решения этой проблемы, над которой сейчас бьются многочисленные группы ученых и инженеров, станет возможным создание квантовых сетей, позволяющих моментально передавать данные на большие расстояния и обладающих очень высоким уровнем защищенности информации. И недавно, группе ученых из Стэнфордского университета удалось установить своего рода новый рекорд, заставив обмениваться квантовой информацией два электрона, разнесенные на расстояние в 2 километра. А посредниками в этом деле, обеспечившими создание запутанного состояния электронов, выступили частицы света, фотоны, обладающие некоторыми уникальными свойствами.

Квантовая запутанность по определению Альберта Эйнштейна, является "призрачным действием на расстоянии". В нем принимают участие две или большее число квантовых частиц, которые запутываются при помощи различных методов. В данном случае исследователи использовали запутанное состояние спинов электронов, направления их вращения вокруг ядра атома. Когда эти электроны запутаны, они обладают одинаковым спином, и стоит только искусственно изменить спин одного из электронов, как спин второго электрона измениться на такую же величину, несмотря на то, что эти электроны могут находиться в различных уголках земного шара или даже Вселенной.

Однако, электроны, способные обладать спином, не могут быть свободными, они всегда находятся пойманными в ловушке их атома. Поэтому достаточно сложно сразу запутать два электрона, а затем разнести содержащие их атомы на большое расстояние. Для переноса состояния квантовой запутанности лучше всего подходят фотоны, и для этого используется метод квантовой корреляции, который позволяет запутать два фотона, послать их по оптическому волокну на большое расстояние и использовать эту пару фотонов для создания запутанной пары электронов.

Во время предыдущих экспериментов, Лео Ю (Leo Yu), физику из Стэнфордского университета, удалось при помощи квантовой корреляции получить пару запутанных электронов, атомы которых разделяло расстояние в несколько метров. А недавно, группе профессора Йошихису Ямамото (Yoshihisa Yamamoto) удалось успешно создать пару запутанных электронов, которые разделяло рекордное на сегодняшний день расстояние в 1.93 километра.

Для того, чтобы сделать все вышеописанное, ученым потребовалось сначала удостовериться в том, что квантовая запутанность фотонов сохраняется на таком большом расстоянии. Ведь фотоны являются достаточно неустойчивыми носителями квантовой информации, склонными к спонтанному изменению их поляризации при движении внутри оптического волокна. Фотоны могут иметь поляризацию двух типов, вертикальную и горизонтальную, которые можно рассматривать, как логические 1 и 0. Но если поляризация фотона меняется во время его движения, это нарушает состояние квантовой запутанности и делает невозможным ее перенос при помощи квантовой корреляции.

Однако, переносимая фотоном квантовая информация может быть закодирована и другим способом. Для этого ученые создали так называемые метки времени, которые связывают между собой время прибытия фотона с фазой вращения электрона. И эти метки являются своего рода опорными точками, ключами, при помощи которых можно подтвердить существование квантовой корреляции между электроном и фотоном.

Для того, чтобы запутать два электрона, которые никогда не находились вблизи друг от друга, через оптоволокно навстречу друг другу были отправлены два фотона, каждый из которых был связан (коррелирован) с одним из электронов. Эти фотоны встретились посередине оптоволокна внутри специального устройства, где они взаимодействовали друг с другом. Однако, и в этом пункте ученых ожидала очередная проблема - фотоны из разных источников имеют пусть и близкие по значению, но немного отличающиеся длины их волн, т.е. цвет. И если разница в длинах волн превышает некоторый предел, то фотоны принципиально "не хотят" взаимодействовать друг с другом. Для решения этой проблем был создан специальные оптические преобразователи, через которые проходили фотоны, прежде чем "нырнуть" в оптоволоконный канал, и эти преобразователи выравнивали длины волн фотонов, которые становились после этого почти полностью идентичными друг другу.

Когда ученым удалось заставить взаимодействовать два фотона, они моментально получили пару запутанных электронов. И, пока эта квантовая запутанность существовала в течение относительно короткого промежутка времени, можно было моментально передавать информацию, изменяя спин одного электрона и измеряя значение спина второго электрона. И самым главным является то, что эту информацию невозможно ни перехватить, ни исказить при помощи любого известного способа.