Китайці здійснили квантову телепортацію з поверхні Землі на орбіту

Дві команди китайських дослідників встановили примітивний квантовий інтернет між супутником та лабораторією на Землі за допомогою явища квантового сплутування фотонів. Їм вдалось передати стан одного фотона на орбіту та імітувати ключі шифрування.

Квантова сплутаність є спільним станом для двох окремих квантових частинок на відстані. Вчені не можуть повністю зрозуміти фундаментальну суть цього явища, проте факт залишається фактом – все, що відбувається з однією квантовою частинкою у сплутаній парі, також відбувається з іншою. Таємничі закони квантової механіки створюють між ними невидимий зв’язок.

ЗОБРАЖЕННЯ ДВОХ “СПЛУТАНИХ” ІОНІВ БЕРИЛІЮ (ЧЕРВОНІ), ЯКІ УТВОРЮЮТЬ КУБІТ ДЛЯ ЗБЕРЕЖЕННЯ КВАНТОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ
NIST

І хоча про квантову сплутаність відомого небагато, дослідники навчились створювати такі фотони, коли їм заманеться. Здебільшого, для такого експерименту вони використовують світло від лазера, яке пропускають через кристал. З часом їм це стало нецікаво, тому вони перейшли до більш витончених експериментів – створення квантових мереж.

Мережа обміну інформації, побудована на сплутаних фотонах, була б набагато-набагато швидшою за все, що ми знаємо. Окрім того, вона також була б набагато надійнішою та захищеною через природу сплутаних фотонів – якщо один з квантових ключів шифрування був збурений зовнішнім впливом, уся система одразу б відреагувала на це, дозволивши виявити загрозу.

У новому експерименті китайські вчені збільшили відстань між двома сплутаними квантами. Один з фотонів вони залишили на Землі, а інший перемістили на штучний супутник у космосі.

На першому етапі вчені передали властивості сплутаної частинки, яка знаходилась в Тибеті, її партнеру, який був запущений на супутник у космосі, подолавши усі рекорди для сплутаних квантових частинок, які були встановлені іншими дослідженнями. Таким чином, квантова сплутаність була встановлена на відстані від 500 до 1400 км, в залежності від розташування супутника на орбіті.

На другому етапі інструменти на борту супутника створили послідовність чисел у якості ключа шифрування. Вони передали цей ключ через канал сплутаних фотонів, використовуючи поляризацію частинок.

Схема каналу для передачі квантового ключа. Джерело: arXiv:1707.00934

Результати ексепериментів були опубліковані на сайті препринтів наукових робіт ArXiv.

Чи є ліміт відстані для сплутаності?

Щойно дві частинки були “сплутані”, вони залишаються у цьому стані на будь-якій відстані, принаймні, теоретично. Досі, серії експериментів з переносом сплутаних фотонів лише підтверджували це.

З іншого боку, оскільки фотони є матеріальними квантовими частинками, їхня подорож у просторі вимагає часу. Чим більша відстань між ними, тим більше часу буде необхідно, щоби їх дістатися. Це означає значне збільшення ймовірності виникнення якоїсь події, яка порушить їхню сплутаність (когерентність) та зруйнує систему.

Тож, якщо теорія говорить про відсутність обмежень на відстань між сплутаними квантами, технічна реалізація вимагає вирішення значної кількості проблем.

Проблема перенесення інформації

Оскільки виміри стану одного зі сплутаних квантів призводять до руйнування стану сплутаності системи, дослідникам не вдається безпосередньо передавати інформацію у такій системі. Інакше, ми могли б спілкуватись з іншою частиною галактики практично миттєво, долаючи обмеження на швидкість світла.

Що зробили китайські дослідники? Вони використали сплутані фотони для генерації випадкових чисел. Оскільки фотони були сплутаними, вони згенерували один й той самий “ключ” як на орбіті, так і на Землі. Цей ключ шифрування далі може бути використаний для захисту вже класичного каналу зв’язку. Сам ключ не може бути використаний для передачі інформації, оскільки він є випадковим.