Как перехитрить шум в квантовых коммуникациях

Как надежно передавать квантовую информацию, когда на каналы связи воздействуют лишние шумы? Ученые из университета Инсбрука и Технического университета Вены представили новое решение этой проблемы. В настоящее время мы обмениваемся радиосигналами и посылаем электрические импульсы через длинные кабели. Однако, такой подход может вскоре изменится: ученые интенсивно работают над разработкой методов передачи квантовой информации. Это обеспечило бы передачу данных с защитой от кражи или, однажды, даже для создания сети коммуникаций их квантовых компьютеров.

Для передачи квантовой информации требуется надежный способ передачи информации от одной квантовой системы к другой. Это чрезвычайно трудно осуществить. Две независимые исследовательские группы – одна в университете Инсбрука, а другая в ТУ Вены теперь разработали новый протокол квантовой коммуникации. Этот протокол обеспечивает надежную квантовую связь даже при наличии загрязняющего шума. Обе исследовательские группы работали с одной и той же базовой концепцией: чтобы сделать протокол неуязвимым к шуму, они добавили дополнительный элемент, так называемый квантовый генератор, на обеих концах квантового канала.

Надежная передача данных

Ученые долгое время проводили эксперименты по квантовой коммуникации.

“Исследователи представили квантовый протокол телепортации уже в 1990-х годах, который позволяет переносить состояние одной квантовой системы в другую с помощью оптических фотонов”, - сообщил Бенуа Вермерш, кандидат наук из группы Питера Золлера – университета Инсбрука. Такой подход также работает на больших расстояниях, но многие фотоны на пути рассеиваются, и лишь крошечная часть достигает детектора.

“Наша цель состояла в том, чтобы найти способ для надежной передачи квантового состояния из одного места в другое, не проводя эту процедуру несколько раз подряд для точности работы”, объясняет Питер Рабль из института атома при ТУ Вены.

Сверхпроводящие кубиты, в частности, являются перспективными элементами для будущих квантовых технологий. Это крошечные схемы, которые могут одновременно принимать два разных состояния. В отличие от обычных выключателей света, например, которые могут занимать положение – включен или выключен, законы квантовой физики позволяют кубиту принять любую комбинацию из этих состояний. Такая комбинация называется квантовой суперпозицией. Для передачи этого квантового состояния из одного сверхпроводящего кубита в другой необходимы микроволновые фотоны, которые уже используются для классической передачи сигнала. Надежная передача квантовой информации через микроволновой режим считалась невозможной, поскольку постоянный тепловой шум полностью перекрывал более слабы квантовый сигнал.

Новый протокол передачи данных

Две исследовательские группы показали, что проблему с тепловым шумом все-таки можно решить. В сотрудничестве с командами из Гарварда и Йельского университета (США) им удалось разработать такой протокол передачи данных, который невосприимчив к неизбежному шуму.

“Наш подход заключается в добавлении другой квантовой системы – СВЧ генератора, в качестве медиатора на обеих концах протокола, это необходимо для соединения кубитов вместо их непосредственного связывания с микроволновым каналом и волноводом”, объяснил Рабл.

“Мы не можем предотвратить развитие теплового шума в квантовом канале”, - сообщил Бенуа Вермерш.

“Важно то, что этот шум одинаково воздействует на оба осциллятора на обеих концах, поэтому мы можем точно отделить лишний шум от более слабого квантового сигнала посредством точной связи с волноводом”.

“По нашим расчетам, мы можем связать кубиты на несколько сотен метров с этим протоколом, - сообщил Питер Рабл. “Нам все равно нужно охлаждать каналы, но в долгосрочной перспективе технологически будет возможно связать здания или даже города квантовым физическим способом через микроволновые каналы”.

Пояснения к изображениям:

На изображении 53_1, FIG.1 показан процесс передачи квантового состояния через волновод с генератором шума (QST – quantum state transfer, квантовая передача состояний). (a) область где кубиты связаны непосредственно с хиральным связыванием с волноводом, представляющим собой квантовый канал связи. (b) область, в полости который атомы представляют собой кубиты, связанные с волноводом и полостью в качестве медиатора. (с) F – для QST кубита как функция заполнения фотоном n_th, представляющая собой тепловой шум, вводимый в волновод для установок (а) и (b). Для протокола, описанного в тексте (см. приложение 53), настройка (b) является устойчивой к добавляемому шуму. (d) область, на которой показана «запись» квантового состояния из резонатора 1 во временную моду в (шумном) волноводе и «считывание» обратно в резонатор 2 в виде линейного многомодового шифратора и дешифратора с функциями кодирования, и декодирования.

На изображении 53_2, FIG. 2 показаны неточности. (а) влияние на точность конечного времени передачи T = t_f – t_i, и (b) из-за неточности временного промежутка k_2(t). (c) распределение F для разных параметров beta и k_max*tau ? 0 (см. приложение 53). Сплошные линии: n_th = 0. Пунктирные линии: n_th = 0.25. Точность максимальная, когда phi является кратным pi. (d) увеличивая k_max*tau при phi = 0 точность уменьшается. (е) значения квантовых корреляций при учете потерь в волноводе и полости. (f) область с настройками для одного фотона n_th’ = 1. Черный цвет – нет коррекции ошибок. Красный цвет – есть коррекция ошибок для одиночного фотона. Синий цвет – есть коррекция ошибок или дополнения. Сплошные линии: n_th = 0, k’ = 0. Для полного периода: n_th = 0.5, k’ = 0. Для пустого периода: n_th = 0, k_f = 0.

На изображении 53_3, FIG. 3. Показан процесс передачи квантового состояния для не каскадных систем. (а) КПС в закрытой системе с двумя полостями, связанными с конечным волноводом. (b) точность как функция нелинейности состояния полостей khi и для разных начальных заполнений волновода. Точность приближается к постоянному значению в линейном пределе для khi -> 0 .

Источник: phys.org

Комментарии: