Ученые из Российского квантового центра под руководством профессора Александра Львовского разработали метод восстановления квантовой запутанности и проверили его в эксперименте – это исследование значительно расширяет возможности квантовой связи и квантовой криптографии. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Photonics (DOI: 10.1038/nphoton.2015.195).
Феномен квантовой запутанности (или квантовой корреляции), при котором состояния двух или нескольких объектов – атомов, фотонов, ионов – оказываются связаны, является основой современных квантовых технологий. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи – такие системы полностью исключают возможность незаметной «прослушки». Однако запутанные состояния очень хрупки, они легко разрушаются при передаче из-за помех, оптических потерь. Кроме того, само создание запутанности – очень непростой процесс, он требует сложных экспериментальных установок. Поэтому возможности передачи квантовой информации сильно ограничены – существующие установки позволяют передать данные на расстояние не более 100 километров. Многие научные группы сейчас ищут способы увеличить это предельное расстояние – без них возможности практического применения квантовых технологий крайне ограничены.
Группа под руководством А. Львовского провела в лаборатории квантовой оптики в Российском квантовом центре серию экспериментов, в результате которого им удалось восстановить уровень квантовой корреляции между импульсами света в двух оптических волокнах, которая была почти полностью разрушена после прохождения через канал с 20-кратными оптическими потерями. Это соответствует уровню потерь в 65 километрах обычного оптоволоконного кабеля.
В качестве источника запутанных фотонов в эксперименте использовался нелинейный кристалл титанил-фосфата калия с периодической доменной структурой. Его «обстреливали» пикосекундными импульсами света, которые генерировал титаново-сапфировый лазер. В результате в кристалле рождались запутанные пары фотонов, которые ученые отправляли в два разных оптических канала. В одном из них свет подвергался 20-кратному ослаблению с помощью затемненного стекла, в результате чего уровень запутанности падал почти до нуля.
После этого физики подвергали этот канал особой процедуре усиления, восстанавливающей квантовые свойства света в этом канале до близких тем, которые имели место до потерь. Эта процедура заключается в смешивании светового импульса в канале со «вспомогательным» одиночным фотоном на светоделительной пластине (частично пропускающем свет зеркале). На одном из выходов светоделителя ставился детектор одиночных фотонов.
Если этот детектор «щелкает», это означает, что фотон как вошел в светоделитель, так и вышел. 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.
Это явление, открытое А. Львовским и коллегами еще в 2002 году (DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.250401), было названо ими квантовым катализом, потому что «вспомогательный» фотон, подобно химическому катализатору, сам в реакции не участвует, но меняет состояние света в другом канале.
«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», – говорит Львовский.
По его словам, эта работа – шаг к созданию квантового повторителя – устройства, способного восстанавливать потери квантовой информации при передаче по оптоволоконным линиям связи. В перспективе это позволит создать глобальные системы передачи квантовых данных и снимет ограничения для квантовой криптографии.
«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», – говорит соавтор исследования Александр Уланов.
Хотя публикации российских ученых в престижных международных журналах, в частности, издательства Nature Publishing Group – не редкость, в большинстве случаев в этих статьях речь идет о теоретических исследованиях или об экспериментах, проведенных в зарубежных научных центрах.
Это исследование уникально тем, что и сам эксперимент, и обработка данных проводилась в Российском квантовом центре. «Появление этой статьи свидетельствует, что в РКЦ созданы условия для научных исследований высшего класса», – подчеркнул генеральный директор РКЦ Руслан Юнусов.
В исследовании помимо Александра Львовского также участвовали сотрудники Российского квантового центра: Александр Уланов, Илья Федоров, Анастасия Пушкина, Юрий Курочкин, а также Тимоти Ральф из Центра квантовых вычислений и коммуникационных технологий Университета Квинсленда (Австралия).
Справочно
Российский квантовый центр (РКЦ) – международная научно-исследовательская организация, работающая в области квантовой физики. В органы управления РКЦ входят лучшие ученые физики со всего мира, в том числе нобелевские лауреаты, а также предприниматели, специализирующиеся на инвестициях в перспективные наукоемкие проекты. Научные изыскания и апробация научных разработок проводятся на базе 9 лабораторий, 5 из которых построены «с нуля», уникальное оснащение которых позволяет вести работу на мировом уровне. На сегодняшний день в РКЦ существует 12 технологических проектов, находящихся на разных стадиях готовности.