Помните, недавно сообщали, что группа ученых из Китайской академии наук провела спутниковый эксперимент по передаче квантовых состояний между парами запутанных фотонов (так называемая квантовая телепортация) на рекордное расстояние — более 1200 км.
Как известно, системы квантовой связи работают благодаря свойствам квантовой запутанности, что обеспечивает невероятный уровень безопасности пересылаемых данных. Но на данный момент данные могут быть пересланы лишь напрямую от одного пользователя к другому. Перенаправить поток информации по стандартным оптоволоконным сетям не представляется возможным, так как они поглощают свет и тем самым разрушают запутанность. Однако группе исследователей под руководством Ральфа Ридингера удалось создать устройство, которое помогло преодолеть эти ограничения.
Вообще явление квантовой запутанности (или спутанности) возникает при взаимозависимости (коррелированности) состояний двух или большего числа частиц, которые можно разнести на сколь угодно далекие расстояния, но при этом они продолжают «чувствовать» друг друга. Измерение параметра одной частицы приводит к моментальному разрушению запутанного состояния другой, что сложно представить без понимания принципов квантовой механики, тем более что частицы (это было специально показано в экспериментах по нарушению так называемых неравенств Белла) не обладают никакими скрытыми параметрами, в которых бы сохранялась информация о состоянии «компаньона», и при этом мгновенное изменение состояния не приводит к нарушению принципа причинности и не позволяет передавать таким образом полезную информацию.
Для передачи реальной информации дополнительно необходимо участие частиц, движущихся со скоростью, не превышающей световую. В качестве запутанных частиц могут выступать, например, фотоны, имеющие общего прародителя, а в качестве зависимого параметра используется, скажем, их спин.
К передаче состояний запутанных частиц на все более дальние расстояния и в самых экстремальных условиях проявляют интерес не только ученые, занимающиеся фундаментальной физикой, но и инженеры, проектирующие защищенные коммуникации. Считается, что явление запутанности частиц в перспективе предоставит нам в принципе невзламываемые каналы связи. «Защитой» в этом случае послужит неизбежное уведомление участников разговора о том, что в их связь вмешался некто третий.
Свидетельством этому станут нерушимые законы физики — необратимый коллапс волновой функции.
Прототипы устройств для осуществления подобной защищенной квантовой связи уже созданы, однако возникают и идеи по компрометации работы всех этих «абсолютно защищенных каналов», например путем обратимых слабых квантовых измерений, поэтому до сих пор неясно, сможет ли квантовая криптография выйти из стадии испытания прототипов, не окажутся ли все разработки заранее обреченными и непригодными для практического применения.
Еще один момент: передача запутанных состояний осуществлялась до сих пор лишь на расстояния, не превышающие 100 км, из-за потерь фотонов в оптоволокне или в воздухе, поскольку вероятность того, что хотя бы часть фотонов доберется до детектора, становится исчезающе малой. Время от времени появляются сообщения об очередном достижении на этом пути, но охватить подобной связью весь земной шар пока не представляется возможным.
Еще в 2014 году Ученые из института Вайцмана (Weizmann Institute) создали и продемонстрировали работу первого в мире фотонного маршрутизатора, квантового устройства, основанного на одном единственном атоме, позволяющего направлять единичные фотоны света по необходимому маршруту. Следует отметить, что разработка этого квантово–фотонного устройства является большим шагом на пути преодоления массы трудностей, с которыми сталкивается сейчас разработка квантовых компьютеров будущего.
Основным элементом фотонного маршрутизатора является атом, способный переключаться из одного квантового состояния в другое. Переключение состояния атома осуществляется при помощи единичного фотона света, имеющего определенные характеристики. Находясь в одном из квантовых состояний, атом беспрепятственно пропускает следующий фотон света дальше по оптическому волокну, а в другом состоянии — отражает его назад, туда, откуда он прибыл.
А буквально недавно группа специалистов из Университета Вены смогла разработать первый в истории квантовый роутер и даже провела первые испытания нового устройства. Это первое устройство, которое может не только принимать запутанные фотоны, но и передавать их. Кроме того, схема, используемая в роутере, может стать основой для создания квантового интернета.
Ученые использовали частоту в 5,1 ГГц, создав 500 кремниевых резонаторов, частота вибрации которых позволяет сохранить квантовую информацию. Все 500 кремниевых резонаторов были протестированы на наличие подходящей для него пары. Использовано было всего 5 пар, которые поместили в холодильник, который охладил резонаторы до абсолютного нуля. Затем их подключили друг к другу оптическим кабелем длиной 20 см. Как сообщил автор и руководитель разработки господин Ридингер,
«Подобные нанороутеры способны поддерживать запутанное состояние фотонов, в отличие от обычных сетей связи. Мы не видим никаких ограничений, мешающих нам увеличить его с 20 сантиметров до нескольких километров и даже больше. Представленная система масштабируется на большее число устройств и может быть интегрирована в реальную квантовую сеть. Сочетание наших результатов с оптическими сетями, способными переносить квантовую информацию, может создать основу для будущего квантового интернета».
Ну что, это наше будущее?