Квантовый телепорт стал реальностью. Два независимых фотона впервые обменялись состояниями — и сделали это без физического контакта

Физики добились результата, который долго считался почти недостижимым: им удалось передать квантовое состояние между фотонами, испускаемыми двумя разными квантовыми точками. По сути, два независимых источника излучения впервые сформировали совместимую квантовую систему — без этого невозможно построить работоспособную глобальную сеть передачи квантовой информации.

Основная сложность заключается в природе самой передачи. В квантовой связи используется одиночный фотон, чья поляризация кодирует квантовый бит. Любое вмешательство меняет состояние необратимо, поэтому такие каналы защищены от перехвата, но не позволяют усиливать или копировать сигнал. По мере распространения в оптоволокне фотоны теряются, и классические методы компенсации здесь не работают.

Чтобы передавать данные на большие расстояния, нужны квантовые репитеры — устройства, основанные не на усилении, а на телепортации. Этот механизм возможен только тогда, когда участвующие фотоны полностью неразличимы. Даже минимальный сдвиг частоты или энергетического уровня разрушает интерференцию, и состояние перестаёт переноситься.

Исследователи Штутгартского университета подошли к задаче через квантовые точки — нанометровые полупроводниковые структуры, где электроны и дырки занимают дискретные уровни. Именно эти уровни определяют частоту и другие характеристики испускаемого фотона. Если две точки изготовлены с одинаковыми параметрами, их фотоны могут совпадать настолько точно, что становятся взаимозаменяемыми для квантовой телепортации. Партнёры из Дрездена изготовили такие точки с рекордно малым технологическим разбросом.

Экспериментальная схема выглядела следующим образом. Первая квантовая точка генерировала одиночный фотон. Вторая — пару запутанных фотонов. Один из этой пары направили по 10-метровому оптоволокну, где он встретился с фотоном от первой точки. Если их волновые функции совпадают идеально, возникает интерференционный эффект, благодаря которому состояние одиночного фотона переносится на партнёра из запутанной пары. При этом сам фотон, чьё состояние передавалось, никуда не перемещается — это и есть квантовая телепортация.

Чтобы фотоны действительно были идентичными по частоте, использовали разработанные в Саарском университете квантовые частотные преобразователи. Эти устройства устраняют оставшиеся расхождения в частотах и делают фотоны полностью неразличимыми — ключевое требование для телепортации. В итоге была продемонстрирована передача состояния с точностью чуть выше 70 процентов, что считается высоким результатом для такой схемы.

Такой успех особенно важен, потому что квантовые точки рассматриваются как основа будущих узлов квантового интернета. Они компактны, совместимы с существующими полупроводниковыми технологиями и подходят для интеграции в микрочипы. Возможность синхронизировать два независимых источника так, будто они работают как единое устройство, открывает путь к масштабируемым сетям, где узлы разделены многими километрами волокна, но сохраняют согласованность квантовых состояний.

Ранее та же группа показывала, что запутанное состояние можно удерживать на волоконной трассе длиной 36 километров. Новая работа расширяет эту линию исследований: теперь речь идёт не только о сохранении запутанности, но и о передаче квантовой информации между фотонами, которые появились в разных источниках. Это одна из важнейших технологических преград, которую долго не удавалось преодолеть. Эксперимент должен лечь в основу практичных квантовых репитеров. Улучшение стабильности квантовых точек и более точная частотная настройка таких систем постепенно приближают появление узлов, пригодных для использования в реальных телекоммуникационных сетях.

Исследователи называют работу технологической и физической вехой: теперь становится ясно, что квантовый интернет может строиться не только на лабораторных прототипах, но и на источниках света, созданных с точностью современной полупроводниковой промышленности.