Ученые из Нидерландов сделали большой шаг к созданию квантовых компьютерных сетей, телепортировав квантовую информацию между двумя узлами, не имеющими прямой связи друг с другом. Этот прорыв открывает возможности для создания более быстрой и безопасной системы коммуникаций.

Исследователям из коллаборации QuTech впервые удалось телепортировать квантовую информацию между двумя не соседними узлами. Marieke de Lorijn for QuTech

Как следует из названия, квантовые компьютеры используют несколько принципов квантовой механики для выполнения вычислений, которые недоступны традиционной вычислительной технике. И так же, как и наш современный Интернет, эти квантовые машины должны быть соединены вместе, чтобы полностью реализовать свой потенциал. Однако обмен информацией между ними очень сложен, поскольку квантовая природа таких данных делает их чувствительными к потере или помехам из внешнего мира.

 Однако благодаря явлению, известному как квантовая запутанность, информация может быть "телепортирована" между узлами. При этом две частицы могут настолько переплестись друг с другом, что их невозможно представить одну без другой. Любые изменения, внесенные в одну из них, мгновенно отразятся на другой, независимо от расстояния между ними. Эта концепция не давала покоя самому Эйнштейну, хотя и была неоднократно подтверждена экспериментально.

Кубит "Алиса" находится внутри черного цилиндра, защищенного от внешних помех. Marieke de Lorijn for QuTech

В контексте квантовых компьютерных сетей квантовые биты (или кубиты) информации могут быть телепортированы на узел путем внесения изменений в его запутанного партнера, как правило, путем выполнения, так называемого измерения состояния Белла (BSM). Ранее это уже демонстрировалось между двумя соседними узлами, но в новом исследовании ученые из компании QuTech смогли телепортировать информацию между двумя отдельными устройствами.

Для решения этой задачи потребовалось участие третьего узла, выступающего в качестве своеобразного посредника. Для удобства команда назвала эти три узла Алиса, Боб и Чарли, (каждый из них представлял  собой алмазный кубит). Для построения сети команда сначала создала запутанные состояния между Алисой и Бобом, а также между Бобом и Чарли. Затем, выполняя BSM в узле Боба, состояния Алисы и Чарли также запутывались, даже в том случае когда они не являлись соседями.

Чтобы телепортировать информацию Алисе, Чарли начинает с создания "сообщения", записывая данные на кубиты в памяти своего узла. Это может быть как 1, 0, так и квантовое промежуточное состояние. Затем он выполняет BSM на этом кубите и на кубите, который запутался с кубитом Алисы. И таким же образом кубит Алисы мгновенно изменяется, отражая сообщение Чарли.

Однако если Алиса хочет прочитать сообщение, ей нужно сначала расшифровать его, а ключ есть у Чарли. В результат BSM, который Чарли выполнил на своем кубите, показывает, какую операцию Алиса должна выполнить на своем, чтобы расшифровать телепортированную информацию.

Художественная иллюстрация процесса квантовой телепортации, происходящего между двумя не смежными узлами, в качестве дефектов в алмазах. Scixel для QuTech

Исследователи QuTech успешно справились с этой задачей, проведя множество экспериментов, с точностью около 71 процента. Это было достигнуто благодаря нескольким открытиям, сделанным командой для защиты квантовой информации в сети. Например, запутанность между Алисой и Бобом должна была храниться в квантовой памяти, пока Боб устанавливал связь с Чарли. В итоге, благодаря различным методам оптимизации удалось снизить уровень шума в системе.

Достигнув такого рода непрямой квантовой телепортации, исследователи считают, что разработали фундаментальный строительный блок для построения практической квантовой сети. Но, конечно, впереди еще долгий путь. Следующим важным шагом является увеличение числа кубитов системы, что должно значительно расширить виды операций, которые она может обрабатывать.

Также в планах команды найти способ перемещать информацию, без необходимости формирования сообщение после установления связи. Это позволит осуществлять телепортацию по мере необходимости, что крайне важно для того, чтобы эта технология стала реальностью.

Исследование было опубликовано в журнале Nature. Более подробно эксперименты описаны в видеоролике ниже.

От Алисы к Чарли - следующий этап для создания квантового интернета

 Источники: QuTech, Nature
(https://www.nature.com/articles/d41586-022-01364-0)
(https://qutech.nl/2022/05/25/teleport-quantum-information-across-network/?cn-reloaded=1)