Мы стали на шаг ближе к телепортации. По крайней мере, телепортации данных. В декабре прошлого года учеными из ЮАР, Германии и Испании был проведен эксперимент, в ходе которого ученые смогли телепортировать информацию с помощью квантово связанных фотонов и нелинейного детектора. Такая передача данных внутри квантовых состояний должна стать одной из частей информационной супермагистрали будущего, которая в плане безопасности и пропускной способности затмит все современные оптоволоконные сети.
Квантовая телепортация
Пожалуй, для начала нужно уточнить термины. Обычная квантовая телепортация проводилось уже много десятков раз. Например, один из таких экспериментов произошел три года назад (вот новость на Хабре). Тогда, в конце 2020-го, команда ученых из США транслировала квантовое состояние частицы на дистанцию 44 километра. Но это далеко не та телепортация, о которой пишут в книгах и снимают фильмы.
И если в кинематографе перемещаются сам объект, то в реальности американцами было перемещено только квантовое состояние объекта — то есть, особенности его сплетения с другими частицами. Такой набор параметров очень непросто передать традиционными средствами связи, с помощью нулей и единиц. Но ученые успешно транслировали состояние трех сплетенных кубитов по обычным оптоволоконным сетям и затем смогли его правильно воспроизвести на стороне приемника. Реальность звучит не так круто, как сам термин «квантовая телепортация», но на самом деле это всё равно является большим прогрессом — особенно если мы хотим научиться работать с квантовыми компьютерами.
Направление квантовой телепортации сейчас очень быстро развивается. В 2017-м китайские ученые смогли через спутник передать («телепортировать») параметры фотонов между двумя земными лабораториями, находящимися на расстоянии 1200 км. А в 2020 году в Чикаго создали целый консорциум, который должен разработать первый в мире квантовый интернет — намного более быстрый и безопасный, а также с более высокой пропускной способностью. Сообщение, переданное методом квантовой телепортации, будет невозможно взломать, потому что оно будет привязано к состоянию частицы. Любая попытка вскрыть и измерить информацию приведет к нарушению когерентности и порче сообщения. Более того: получатель, получив набор ошибок, узнает, что сообщение пытались перехватить, и сможет принять меры.
Предполагается, что такой интернет будет стоить гораздо дороже обычного, но и будет востребован трейдинговыми компаниями и другими финансовыми организациями, для которых безопасность и скорость стоят превыше всего.
Но это не совсем та телепортация, о которой пойдет речь сегодня. Потому что телепортировать реальные данные гораздо сложнее.
Телепортация информации
От квантового интернета мало пользы, если с его помощью мы можем передавать только состояния связанных частиц. Такая информация интересна разве что ученым. Нам нужно научиться как-то внедрять в эту запутанность реальные, полезные данные.
Почти во всех случаях в качестве связанных квантовых частиц используются фотоны. Это связано со сравнительной простотой их получения, передачи и «считывания». У фотонов есть только два возможных состояния: положительная («правая») или отрицательная («левая») спиральность. А значит, нужно измерить только это квантовое число, чтобы посчитать, что полное состояние частицы было передано успешно.
Правда, с учетом этой квантовой бинарности фотонов, теперь неясно, куда здесь зашифровать полезную информацию? Может, нужно запутывать и сохранять тысячи пар связанных фотонов, а затем хранить их в каждом из дата-центров? Теоретически это возможно, но вся простота и элегантность квантовой телепортации теряется, так как процедура начинает вызывать больше проблем, чем решений.
Команда из ЮАР, Испании и Германии нашла решение. Они научились телепортировать состояния света для формирования изображения с использованием всего лишь одной пары запутанных фотонов. Это достигается за счет передачи информации, закодированной в орбитальном угловом моменте и суперпозициях Эрмита-Гаусса в произвольных пространственных модах. Два фотона, находящиеся в суперпозиции, благодаря взаимодействию с другими фотонами и средами могут передавать гораздо больше информации, чем просто состояние своей спиральности.
Томография квантовых состояний позволяет узнавать закодированную в них информацию. Фото Университета Витватерсранд, ЮАР
В своей работе ученые говорят, что этот новый подход к использованию многомерных квантовых состояний может быть распространен и на другие степени свободы элементарной частицы. Пропускная способность канала связи и объем передаваемой за раз информации в квантовом интернете может оказаться даже больше, чем предполагалось ранее.
Обмен информацией между двумя сторонами, при котором информация передается без физической транспортировки, является важнейшим процессом в будущих квантовых сетях. Использование многомерных состояний обещает большую информационную емкость и повышенную устойчивость к шуму. В этой работе мы демонстрируем, как нелинейный параметрический процесс допускает произвольные многомерные проекции состояния в пространственной степени свободы, где сильное когерентное поле увеличивает пространство вероятностей.
Это позволяет нам реализовать квантовую передачу многомерной пространственной информации с помощью простого квантового канала с одной запутанной парой и нелинейного детектора пространственных мод.
Традиционно две взаимодействующие стороны физически передают информацию друг другу, и это информация может быть украдена или с ней могут быть проведены манипуляции. Но теперь можно телепортировать информацию. То есть делать так, чтобы она сама никогда физически не пересекала соединение и содержалась только в сопряженных частицах, особенности связи которых передаются в Сети. Это выводит безопасность передачи информации на новый уровень — она теоретически может быть защищена в том числе от взломов, ведущихся с помощью квантовых компьютеров.
Тщательное измерение определенной характеристики одной из связанных частиц в тот же момент влияет на соответствующий параметр другой частицы, по сути передавая ей квантовое состояние. Транслируя затем другие параметры исходной частицы обычным физическим способом, можно зафиксировать это состояние, в то время как вероятности существования других измерений стираются. Остается только один вариант частицы, и те данные, которые он содержит.
При измерении большего числа различных характеристик исследователям удалось «упаковать» всего лишь в два связанных фотона достаточно информации для воспроизведения изображений. Среди параметров в том числе измерялись угловой момент фотона и история его взаимодействия с другими частицами (= интерференция волн). Затем эти данные были успешно телепортированы из одной точки в другую. Инновационный метод кодирования данных на порядок увеличил количество параметров, которые можно телепортировать в квантовом состоянии. Теперь это не просто ноль или единица, а целый набор показателей.
Фотоны в данном случае выступали не только как гаранты верности данных, но и как способы их зашифровки и передачи. Пока что транслированных данных хватает только на несколько пикселей, но в теории уже ничего не останавливает нас от квантовой телепортации целых картинок или небольших файлов.
В своей работе ученые говорят, что:
Этот протокол демонстрирует все общепринятые признаки телепортации. За исключением одного момента: чтобы повысить эффективность разработанного нами нелинейного детектора, нам пришлось использовать яркий лазерный луч. Он позволяет отправителю узнать направление, в котором должна быть телепортирована информация. Система может работать и без луча, но точность измерения будет снижена, а дистанция телепортации — сильно сокращена.
В таком смысле это пока не полностью телепортация — фокусирующий лазер несет в себе физические частицы света. Но она может стать таковой в будущем, если сделать нелинейный детектор более точным, мощным и эффективным.
Исследователи считают, что одним из применений разработанной ими технологии в будущем станет отправление наших отпечатков пальцев в онлайн-банки. Телепортируя пространственные детали отпечатка в квантовой форме, можно создать невзламываемый и персонализированный ключ. Удобный и быстрый в использовании, и недоступный для взлома мошенниками.
В заключении своей работы ученые пишут:
Насколько нам известно, наш эксперимент является первой передачей информации с помощью квантовых процессов. Мы предлагаем новый способ управления и обработки пространственной квантовой информации с помощью нелинейных процессов. Сочетание достижений в многомерном спектрально-временном управлении и встроенных нелинейных решениях с пространственной степенью свободы фотонов может открыть новые перспективы в квантовой обработке информации за пределами кубитов.
Мы надеемся, что этот эксперимент, показывающий осуществимость телепортации данных с помощью фотонов, будет стимулировать дальнейший прогресс в сфере нелинейной оптики, расширяя границы квантовой реализации процесса передачи данных.
