Благодаря новому исследованию, проведенному командой инженеров Университета Торонто, эти типы совершенно безопасного обмена информацией стали на шаг ближе к реальности. Опубликованные на этой неделе в Nature Communications, исследователи разработали первые полностью фотонные квантовые повторители — протоколы, которые обеспечивают надежную и безопасную передачу данных на большие расстояния при использовании квантовой криптографии.Коммуникации, использующие квантовую криптографию, используют законы квантовой механики для передачи информации от одного пользователя другому.
Закодированный в квантовых состояниях фотонов, этот обмен настолько безопасен, что его сломать практически невозможно. Но посылать фотоны на большие расстояния по волокнам легче сказать, чем сделать — более 90 процентов фотонов теряются на расстояниях более 50 километров, что серьезно ограничивает диапазон квантовой связи.Чтобы расширить диапазон, многие исследования были сосредоточены на разработке «квантовых повторителей», чтобы дать фотонам «импульс» и уменьшить потери. Эти повторители действовали как мини-квантовые компьютеры, сохраняя запутанные фотоны и передавая их сигналы по волокнам — их нужно было хранить при низких температурах и иметь низкую частоту повторения, что делало их неудобными и медленными.
Эти новые полностью фотонные квантовые повторители от инженеров из U of T ретранслируют фотоны на большие расстояния, используя только фотоны, без строгих требований квантовой памяти материи или интерфейса между материей и светом вообще.Профессор Хой-Квонг Ло (ECE) Департамента электротехники Эдварда С. Роджерса-старшего Компьютерная инженерия и факультет физики Университета Торонто сотрудничали с доктором Кодзи Адзумой и доктором Киёси Тамаки из японской телеграфной и телефонной корпорации Nippon.«Сообщество проявляет большой интерес к разработке квантового Интернета, который будет более богатым информацией и более мощным, но эти квантовые состояния также могут быть хрупкими», — говорит профессор Ло. «Нашей мотивацией было разработать средство для безопасной и надежной связи на больших расстояниях».
Предложенные группой полностью фотонные повторители могут похвастаться более высокими скоростями квантовой связи, используют оптические элементы, принципиальные доказательства которых уже были продемонстрированы, и работают при комнатной температуре. Предлагаемые все фотонные квантовые повторители существенно используют сильно запутанные квантовые состояния (называемые «состояниями кластера») и их полезное свойство отказоустойчивости к потерям.Полностью фотонные повторители могут быть использованы для объединения в сеть отдельных квантовых компьютеров, что остается нереализованным и является предметом интенсивных исследований по всему миру.
«Представьте, что в будущем у нас будут разные квантовые компьютеры по всему миру, которыми будут управлять разные пользователи», — говорит профессор Ло. «Мы хотели бы передавать информацию между ними, но нынешние способы связи небезопасны от атак или потерь».Квантовые компьютеры уже на подходе, но эта технология имеет значение для другой области, которая звучит как научная фантастика: квантовой телепортации.
«Первоначальный вопрос заключался в том, можем ли мы передавать поляризацию на большие расстояния, но это скучно — тогда исследователи спросили, можем ли мы сделать что-нибудь более интересное?» — говорит профессор Ло. «И оказалось, что мы можем выполнять квантовую телепортацию».В ближайшее время вы не будете выходить из дома на работу, но исследователи уже завершили экспериментальные демонстрации состояний излучения фотонов и даже атомов из одного места в другое.