Ученые телепортировали квантовую ячейку с тремя возможными состояниями

Две независимых команды исследователей пришли к одинаковому результату, успешно продемонстрировав телепортацию кутрита — трехчастной единицы квантовой информации. Это важное достижение в квантовой коммуникации, которая до сих пор имела дело лишь с кубитами.

Словосочетание «квантовая телепортация» вызывает ассоциации с научно-фантастическим сериалом «Звездный путь», где можно было перемещать крупногабаритные объекты и даже живых существ на большие расстояния. В реальности все пока не так удобно и масштабно: перемещаются состояния двух спутанных частиц, например, спин электрона. Даже если два спутанных электрона находятся на большом расстоянии друг от друга, манипуляции с одним вызывают мгновенные изменения у другого. Эту технологию можно использовать для безопасной коммуникации.

Первыми — в апреле — эксперимент по телепортации кутритов провели физики из Научно-технического университета Китая (USTC) под руководством Го Гуанцаня, но публикация состоялась позже. В конце июня другая команда под руководством Антона Цайлингера из Академии наук Австрии и Пань Цзяньвэя из USTC сообщила о своих результатах в статье, опубликованной журналом Physical Review Letters.

В 2017 году Пань, Цайлингер и их коллеги провели с помощью китайского спутника «Мо-цзы» эксперимент по квантовой коммуникации на самое большое расстояние — 7600 км. Два фотона были отправлены в Австрию и в Китай, где ученые смогли создать невзламываемый пароль, с помощью которого совершили защищенный видеозвонок. Любая попытка вмешательства оставила бы заметный след, пишет Scientific American.

Ученые пытались телепортировать и более сложные состояния частиц. В 2015 году Пань сотоварищи смог отправить два состояния фотона: его спин и орбитальный угловой момент. Однако каждое из этих состояний было бинарным — система все еще работала с кубитами. До сих пор ученые не телепортировали более сложные состояния.

Классический бит может быть либо «0», либо «1». Квантовый может сочетать «0» и «1» — то есть находиться в суперпозиции обоих состояний. Классический трит — «0», «1» или «2», тогда как кутрит — суперпозиция всех трех состояний. Поэтому их значительно сложнее создавать.

Для создания кутритов обе команды применили сложные оптические системы из лазеров, лучевых делителей и кристаллов бората бария, а затем спутали два полученных курита вместе. Задача была непростой, поскольку свет редко взаимодействует с собой.

Наконец, они должны были подтвердить запутанность кутритов с помощью так называемого «состояния Белла». Это условие, при котором частицы максимально запутанны. Понять, в каком именно состоянии Белла находятся кутриты необходимо для того, чтобы извлечь из них информацию и доказать, что она была передана с высокой точностью.

В этом последнем пункте две команды расходятся во мнениях. Группа Го убеждена, что их результата достаточно, чтобы счесть эксперимент успешным. А группа Паня и Цайлингера утверждает, что китайские коллеги не смогли добиться достаточного значения состояния Белла.

Однако обе команды согласны, что им всем удалось телепортировать кутрит, и у обеих есть планы двигаться дальше: к куквартам и еще более сложным частицам.