Почти безупречная квантовая телепортация продемонстрирована в революционном эксперименте

Подними меня, Скотти! В исследовании, которое кажется взятым прямо из эпизода "Звездного пути", международная группа исследователей совершила удивительный прорыв в области квантовой телепортации. Они успешно провели практически идеальную квантовую телепортацию, несмотря на наличие помех, которые обычно нарушают процесс передачи квантовых состояний.

Квантовая телепортация - это процесс, в котором состояние квантовой частицы, или кубита, переносится из одного места в другое без физического перемещения самой частицы. Для такого переноса требуются квантовые ресурсы, такие как запутанность между дополнительной парой кубитов.

Представьте, что у вас есть секретное сообщение, написанное на листе бумаги. Вы хотите отправить это сообщение кому-то далеко, чтобы никто не увидел его. При квантовой телепортации вместо того, чтобы физически отправлять бумагу, вы сделаете точную копию сообщения в другом месте, в то время как оригинал сообщения будет уничтожен. Для этого требуются особые ресурсы, такие как запутанность, которая представляет собой таинственную связь между двумя кубитами.

В идеальном сценарии телепортация состояния кубита может быть выполнена безупречно. Однако в реальном мире всегда присутствуют шумы и помехи, подобно тому, как помехи могут нарушить телефонный звонок или радиосигнал. Этот шум может значительно снизить качество процесса телепортации.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, ученые из Университета Турку в Финляндии и Научно-технического университета Китая разработали новый метод квантовой телепортации, который позволяет преодолеть этот шум и достичь высокого уровня успеха. Ключ к успеху - использование многочастичной гибридной запутанности, которая подобна запутыванию кубитов с их локальным окружением контролируемым образом.

"В основе работы лежит идея распределения запутанности - до запуска протокола телепортации - за пределами используемых кубитов, то есть использование гибридной запутанности между различными физическими степенями свободы", - говорит автор исследования Юрки Пийло, профессор из Университета Турку, в пресс-релизе.

Представьте себе, что у вас есть секретное сообщение, написанное на листе бумаги, а также некоторая дополнительная информация, написанная на отдельном листе. Тщательно объединив эти две части информации, вы можете создать новый, более надежный способ передачи секретного сообщения, на который меньше влияют внешние помехи или шум.

В своем эксперименте исследователи использовали фотоны (частицы света) для кодирования кубитов, причем поляризация фотонов представляла квантовые состояния, а их частота - локальное окружение. Для создания многочастичного гибридного запутанного состояния они тщательно продумали начальные корреляции между поляризацией и частотой фотонов.

Процесс происходит следующим образом: отправитель подвергает свой фотон контролируемому дефазированию, которое аннулирует начальные корреляции. Затем они выполняют совместное измерение своей части запутанной пары и квита, который необходимо телепортировать. Это измерение не только запутывает кубиты отправителя, но и дистанционно преобразует гибридную запутанность в локальную запутанность кубита-окружения на стороне получателя. Наконец, получатель применяет определенную операцию, основанную на результатах измерения отправителя, и подвергает свой фотон дефазировке, которая удивительным образом преобразует запутанность квита-окружения в желаемое квантовое состояние.

Команда продемонстрировала свой протокол, используя полностью оптическую установку, и успешно телепортировала различные квантовые состояния с точностью, постоянно превышающей классический предел, даже в присутствии декогеренции - шума и помех в квантовых состояниях. Примечательно, что их протокол не требует, чтобы запутанные кубиты нарушали неравенства Белла, стандартную меру нелокальных корреляций, во время совместного измерения. Это существенный отход от общепринятого мнения, согласно которому для успешной квантовой телепортации необходимы сильные нелокальные корреляции.

"Хотя мы провели множество экспериментов по изучению различных аспектов квантовой физики с фотонами в нашей лаборатории, было очень волнительно и полезно увидеть успешное завершение этого очень сложного эксперимента по телепортации", - говорит автор исследования доктор Чжао-Ди Лю из Университета науки и технологий Китая.

Последствия этой работы выходят за рамки квантовой телепортации. Способность использовать многочастичную гибридную запутанность и преобразовывать ее в полезные квантовые корреляции открывает новые возможности для квантовой обработки информации и связи. Например, исследователи предполагают, что их техника может быть использована для передачи любого мультикубитного состояния через дефазирующие среды, что потенциально может превзойти ограничения подпространств без декогеренции.

Хотя данное исследование является демонстрацией концепции, оно закладывает основу для будущих исследований роли гибридной запутанности в борьбе с декогеренцией. Работа команды также подчеркивает важность подготовки состояния в квантовых технологиях и проливает новый свет на концепцию рециркуляции запутанности.

По мере развития квантовых технологий способность преодолевать декогеренцию и сохранять тонкую природу квантовых состояний становится все более важной. Это новаторское исследование предлагает новый многообещающий подход к достижению этой цели, прокладывая путь к созданию более надежных и эффективных систем квантовой связи и вычислений. При дальнейших исследованиях и разработках сила многочастичной гибридной запутанности может помочь раскрыть весь потенциал квантовых технологий и приблизить нас к будущему, основанному на квантовых технологиях.