Российские физики научились восстанавливать квантовую запутанность

Физики из Российского квантового центра под руководством Александра Львовского разработали метод восстановления квантовой запутанности. Предполагается, что он найдет приложение в создании систем квантовой криптографии.

ученых появилась в журнале

а ее краткое изложение приводится в пресс-релизе, поступившем в редакцию N + 1.

Квантовой запутанностью называют феномен, при котором некоторые характеристики квантовых объектов — атомов, фотонов или ионов, — оказываются взаимосвязаны. Грубо говоря, измерение этих характеристик носит случайный характер, но для каждой из запутанных частиц эти случайности не являются независимыми. Между ними существует корреляция.

В 2002 году им вместе с коллегами

обнаружить явление, которое они назвали квантово-оптическим катализом. В своей (сугубо теоретической) работе ученые предложили следующую рабочую схему. Световой импульс предлагалось смешивать со «вспомогательным» одиночным фотоном на светоделительной пластине (частично пропускающем свет зеркале).

На одном из выходов светоделителя ставился детектор одиночных фотонов. Когда детектор срабатывал, это означало, что одиночный фотон покинул светоотделитель неизменным. Казалось бы, состояние второго входного импульса светоделителя — того самого, который составляет часть запутанного состояния — не должно было измениться. Но, в силу парадоксальных свойств квантовой интерференции, это состояние меняется в сторону «усиления» его квантовых свойств. Ученые сравнили одиночный фотон с катализатором, который не участвует в химической реакции, но способствует ее усилению.

«В то время это явление выглядело не более чем курьезным феноменом, каковых в квантовой физике множество. Теперь же оказалось, что оно имеет важное практическое применение — оно позволяет восстановить запутанность квантовых состояний света», — приводятся слова Львовского в пресс-релизе.

Теперь физики смогли на практике показать, что явление оптического катализа может быть полезно при восстановлении ослабленной запутанности. В работе ученые использовали кристалл татанил-фосфата. Его облучали пикосекундными лазерными импульсами. В результате

на структуре кристалла, образовывались пары запутанных фотонов, которые направляли в два оптических канала. В результате в обоих каналах получаются коррелирующие по напряженности поля сигналы.

В одном из каналом с помощью затемненного стекла сигнал ослаблялся примерно в 20 раз, что соответствовало прохождению примерно 65 километров оптоволокна. Уровень запутанности, то есть корреляция свойств фотонов падала почти до нуля. После этого импульс восстанавливали с помощью квантово-оптического катализа.

«Конечно за восстановление запутанности приходится платить — из миллиона слабо запутанных пар фотонов получается одна сильно запутанная. Но при этом уровень корреляции восстанавливается до первичной, и, хотя скорость передачи данных несколько снижается, мы можем получить устойчивую связь на значительно большем расстоянии», — рассказал соавтор исследования Александр Уланов.

Запутанные состояния очень хрупки и разрушаются в результате воздействия помех, теплового шума и множества других факторов. Например, рекорд передачи квантовых данных сейчас составляет порядка ста километров. Для создания полноценной системы коммуникации этого недостаточно, поэтому многие научные группы ищут возможность создания так называемого квантового повторителя. Это гипотетическое устройство, которое сможет восстанавливать потери квантовой информации при передаче по оптоволоконным линиям связи. Группа Львовского сделала важный шаг к созданию такого устройства.