С помощью гиперзапутанности появилась возможность создать квантовый Интернет

Впервые физики продемонстрировали возможность передачи гиперзапутанных фотонов в свободном пространстве отправкой многих тысяч таких фотонов между крышами двух зданий в Вене.

Гиперзапутанность означает, что фотоны одновременно запутывались, по меньшей мере, двумя разными способами – в этом эксперименте ученые совместили два двумерных запутанных определенных свойства для того, чтобы достичь четырехмерной гиперзапутанности. Доказав, что передача гиперзапутанности возможна в реальном мире, а не только в лаборатории, физики рассчитывают на то, что эта демонстрация в один день перерастет в создание высоко защищенного квантового Интернета, использующего спутники, чтобы быстро и безопасно передавать квантовую информацию по всему миру.

Физики под руководством Руперта Урсина из Института квантовой оптики и квантовой информации ИКОКИ Австрийской Академии Наук в Вене опубликовали статью в недавнем выпуске журнала Nature Communications о распространении гиперзапутанности через атмосферные ссылки свободного пространства.

Гиперзапутанные состояния обладают несколькими преимуществами над состоянием где есть только корреляции между двумя частицами, включая высокую плотность информации и усовершенствованные уровни защиты квантовой коммуникации. Тем не менее, на сегодняшний момент эксперименты, включающие гиперзапутанность, были представлены только в защищенной лабораторной среде и переданы на короткие расстояния. Возможность передавать гиперзапутанные состояния через оптические ссылки свободного пространства позволит перейти к передаче на более дальние расстояния, чем это возможно с использованием оптоволокна на земле.

Как объясняют физики, простейший тип запутанности между фотонами – это поляризация запутанности. В то время, как его измеряют, фотон проявляет одно из двух поляризованных состояний (вертикальное или горизонтальное), создавая двумерную запутанность в поляризационной степени свободы. В двумерном поляризованном кодировании каждый фотон ограничивается кодированием по меньшей мере одним кубитом.

Но существуют другие способы запутывать фотоны, и эти методы могут совмещаться с поляризационной запутанностью, чтобы достичь гиперзапутанных фотонов, которые обладают потенциалом хранить сложные кубиты.

В новом исследовании ученые совместили поляризационную запутанность со вторым видом запутанности, называемой энерговременной запутанностью, которая включает время передачи пары фотонов и может принимать всевозможные количественные значения, приводящим в результате к высшим измерениям. В этом эксперименте, по техническим причинам, физики использовали только два фиксированных времени передачи, «раннее» и «позднее», соответствующие двум степеням свободы. Совмещение этих двух типов запутанности позволило ученым создать четырехмерые гиперзапутанные состояния.

«Мы закодировали кубиты двумя свойствами фотона одновременно», говорит соавтор Фабьен Штейнлехнер из Австрийской Академии Наук.

«Мы закодировали один кубит в хорошо изученной поляризационной степени свободы, а другой – в энерговременной степени свободы, для которой еще не была доказана возможность выдерживать передачу через турбулентный канал связи свободного пространства. Таким образом мы удвоили степень запутанности в фотоне по сравнению с предыдущими экспериментами через реально существующие оптические каналы связи. Увеличение степени многомерности запутанности и передача высокомерной запутанности под реальным атмосферным каналом связи является важным шагом на пути к более эффективным и практичным квантовым коммуникационным системам».

Источник гиперзапутанных фотонов, производящий пары гиперзапутанных фотонов, был расположен в лаборатории ИКОКИ в Вене. Чтобы показать гиперзапутанное распределение, ученые поместили по одному фотону из каждой гиперзапутанной пары в лабораторию и отправили оставшиеся от каждой пары фотоны через оптоволокно в датчиковый телескоп на крышу здания. Затем телескоп передал тот фотон в свободном пространстве в приемник на крыше другого здания, расположенного в 1,2 км, который получил фотоны и установил их гиперзапутанность.

Хотя атмосферная турбулентность и заставила эффективность передачи гиперзапутанных фотонов измениться, и примерно половина возмущенных фотонов была потеряна в связи с поглощением оптическими компонентами, тем не менее, ученые успешно фиксировали около 20 000 пар фотонов в секунду. Результаты впервые демонстрируют возможность использования энерговременной/поляризационной запутанности в реальных условиях. Ученые сейчас надеются развить технологии, которые позволят использовать преимущества гиперзапутанности.

«Гиперзапутанность и одновременная запутанность в многомерных степенях свободы могут быть использованы для кодирования нескольких кубитов в фотоне», говорит соавтор Себастьян Эккер из Австрийской Академии Наук. «Мы говорим об этом как о высокоразмерной запутанности. Возрастание степени многомерности обеспечит более высокий уровень данных и усовершенствованные уровни защиты квантовой криптографии, так как попытки скопировать высокоразмерные квантовые состояния приведут к еще большим ошибкам по сравнению с двумерным кодированием, таким образом упрощая обнаружение взломщика. Кроме того, определенные изменения легче совершать, когда квантовые состояния закодированы несколькими степенями свободы, что может облегчить осуществление на практике обработки протоколов квантовой информации, такой как квантовая телепортация и плотная кодировка».

В будущем физики надеются расширить степень многомерности намного дальше четырехмерной, доведя до предела количество информации, которую можно передать одним фотоном. Это могло бы значительно поднять уровень данных в будущих экспериментах со спутниками.

«В нашем эксперименте мы использовали двумерное и энерговременное пространство», говорит Штейнлехнер. «Однако, в отличие от поляризационной, энерговременная запутанность изначально не ограничена двумя возможными состояниями и потенциал ее степеней свободы на порядок выше».

Если бы гиперзапутанность была передана в космос, она бы открыла возможности для новых видов экспериментов фундаментальной физики. Это могжет быть исследование вызванного гравитацией коллапса волновой функции и обработки квантовой информации под релятивистскими условиями.

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Пояснения к изображениям:

Fig. 1.

Изображение эксперимента по распространению высокоразмерной запутанности. Источник гиперзапутанного фотона расположен в лаборатории в ИКОКИ в Вене. Источник использует СПР в периодически поляризованном кристалле KTiOPO_4, который поместили в центре интерферометре Саньяка и вытолкнули незатухающей волной 405 нм лазерного диода. Средняя длина волны поляризационных-энерговременных гиперзапутанных фотонных пар ?_B~780 нм и ?_A~840 нм, соответственно. Фотон А отправили к Алисе в ИКОКИ, используя короткое оптоволокно, в то время как фотон B управлялся датчиковым телескопом с крыши института и был отправлен Бобу в Венский университет природных ресурсов и прикладных наук через 1,2-километровый канал связи свободного пространства. Фотона Боба были собраны с помощью широкоапертурного телеобъектива с фокусным расстоянием, равным 400 мм. 532-нанометровый световой лазер отделили от гиперзапутанных фотонов, используя дихроическое зеркало и сфокусировали на изображение ПЗС-матрицы, чтобы поддержать регулирование линии связи и отслеживать атмосферную турбулентность. Блок анализа фотонов Алисы и Боба позволил произвести измерения поляризационного и энерговременного базиса. Поляризацию анализировали, используя полуволновую пластинку и поляризационный расщепитель пучка с полупроводниковым стабилотроном отдельного фотона в каждом порте вывода. Дополнительный сдвиг фаз мог появиться в блоке измерений Алисы вращением двух преломляющего кристалла вокруг его оптической оси. В обоих блоках анализа резервные кристаллы кальцита могли быть добавлены перед PBS для того, чтобы создать поляризационно-зависимую задержку, необходимую для измерения интерференции Франсона в энерговременном базисе. Результаты обнаружения отдельных фотонов были записаны с помощью GPS-блока с переключением во времени и загружены на локальный жесткий диск для последующей обработки. Данные измерений Боба были переданы Алисе через классическую связь WiFi для того, чтобы идентифицировать фотонные пары в режиме реального времени.

Fig. 3.

Экспериментальная характеристика гиперзапутанности. Функции двух взаимодействующих фотонов в поляризационной базе (a) и энерговременной базе (b) как функция изменчивого сдвига фаз, представленные в измерительном блоке Алисы. Каждая точка на графике рассчитана из результатов обнаружения двух фотонов, собранных за время 10-секундной интеграции без вычета случайных отсчетов. Планки погрешностей обозначают предохранители 3-s в связи со статистикой Пуассона меньше, чем маркер данных. Наиболее приближенные функции (приближение минимальной среднеквадратичной ошибки по отношению к предсказанному двухфотонному взаимодействию в присутствии экспериментальных погрешностей) показывают видность V_pol^fit = 98,3 ± 0,5% в поляризационной базе (синяя линия) и V_(e-t)^fit = 96,8 ± 1% в энерговременной базе (оранжевая линия). Интерференция почти не выявлена, когда энергия-время переходит в поляризацию, что было представлено только в блоке обнаружения Алисы (желтая линия, V_(e-t)^fit = 1 ± 1% ).

Fig. 4.

Модель перехода энергии-времени в поляризацию. Кристалл кальцита ведет себя как неустойчивый интерферометр поляризации, что показывает сдвиг времени ? > t_c между вертикально (V) и горизонтально (Р) поляризованных фотонов. После измерений модели перехода в суперпозиционной базе можно исследовать когеренцию энергии-времени.

Источник: phys.org