Физики из Российского квантового центра и Московского физико-технического института предложили новый способ передачи квантовой информации между различными типами кубитов посредством электромагнитного поля. Соответствующая статья опубликована в престижном журнале Nature Communications.
Различные физические системы с потенциалом для квантовой обработки информации можно разделить на две категории — в зависимости от того, в каком виде в них удобно кодировать квантовые биты. В одних, таких как одиночные атомы, квантовые точки, сверхпроводящие цепи, удобнее использовать энергетические уровни — или, говоря общо, дискретную (квантованную) величину.
В других системах удобнее кодировать информацию в виде непрерывной величины: например, степень отклонения оптомеханической мембраны от равновесия или напряженность электрического поля в оптическом или микроволновом резонаторе.
Установка для телепортации кубитов / Пресс-служба РКЦ
Поскольку различные квантовые системы имеют свои достоинства и недостатки, они подходят для выполнения разных задач. Поэтому ученые стремятся разработать подход, который позволил бы обмениваться квантовой информацией между кодировками в дискретных и непрерывных степенях свободы.
Естественный медиатор такого обмена — электромагнитное поле (проще говоря, свет), это единственный носитель, способный переносить квантовую информацию на значительные расстояния. К счастью, благодаря своей дуальной корпускулярно-волновой природе свет может поддерживать обе кодировки.
Дискретной кодировкой является поляризация (направление вектора колебаний в электромагнитной волне) фотона, а непрерывной — напряженность электрического поля. Однако до сих пор технология преобразования квантовой информации из дискретной кодировки в непрерывную и обратно для света не была разработана. Именно эту задачу и решили физики из РКЦ и МФТИ.
Александр Уланов, аспирант МФТИ проводит юстировку установки, на которой осуществляется эксперимент / Пресс-служба РКЦ
Один из способов передачи информации в квантовых системах — квантовая телепортация. Но это не та телепортация, которую мы привыкли видеть в кино. При квантовой телепортации не происходит физической передачи объекта на расстояние, передается лишь квантовое состояние с одной частицы на другую с помощью вспомогательного запутанного состояния.
В своей работе ученые сгенерировали запутанное состояние между поляризационным и волновым кубитами. Затем они изготовили еще один, поляризационный кубит и применили процедуру телепортации. При этом фотон, несущий поляризационный кубит, уничтожился, но его состояние — квантовая информация, содержащаяся в этом кубите — не пропало: оно перенеслось на волновой кубит благодаря явлению квантовой нелокальности.
Предполагается, что развитие этого способа запутанности приблизит эру оптических квантовых коммуникаций и квантового интернета.
«Объединение преимуществ квантовых состояний, закодированных в дискретных и непрерывных переменных, откроет новые горизонты для применения квантово-оптических технологий на практике», — прокомментировал Александр Уланов, один из авторов работы, аспирант МФТИ и научный сотрудник лаборатории квантовой оптики Российского квантового центра.