Северо -Западный университет
Инженеры Северо-Западного университета первыми успешно продемонстрировали квантовую телепортацию по оптоволоконному кабелю, по которому уже передается интернет-трафик.
Это открытие открывает новую возможность объединения квантовой связи с существующими интернет-кабелями, что значительно упрощает инфраструктуру, необходимую для распределенных квантовых датчиков или вычислительных приложений.
Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv и должно появиться в журнале Optica .
«Это невероятно волнительно, потому что никто не думал, что это возможно», — сказал Прем Кумар из Northwestern, который руководил исследованием. «Наша работа показывает путь к квантовым и классическим сетям следующего поколения, совместно использующим единую волоконно-оптическую инфраструктуру. По сути, это открывает дверь для вывода квантовых коммуникаций на новый уровень».
Эксперт в области квантовой связи, Кумар является профессором электротехники и вычислительной техники в Школе инженерии Маккормика Северо-Западного университета, где он руководит Центром фотонной связи и вычислений.
Ограниченная только скоростью света, квантовая телепортация может сделать связь почти мгновенной. Процесс работает с использованием квантовой запутанности , техники, в которой две частицы связаны, независимо от расстояния между ними. Вместо того, чтобы частицы физически путешествовали, чтобы доставить информацию, запутанные частицы обмениваются информацией на больших расстояниях — без ее физической переноски.
«В оптической связи все сигналы преобразуются в свет», — пояснил Кумар. «В то время как обычные сигналы для классической связи обычно состоят из миллионов частиц света, квантовая информация использует отдельные фотоны ».
До нового исследования Кумара общепринятое мнение предполагало, что отдельные фотоны будут тонуть в кабелях, заполненных миллионами частиц света, несущих классическую связь. Это было бы похоже на попытку хрупкого велосипеда проехать через переполненный туннель из мчащихся большегрузных автомобилей.
Однако Кумар и его команда нашли способ помочь нежным фотонам держаться подальше от оживленного трафика. После проведения углубленных исследований того, как свет рассеивается внутри оптоволоконных кабелей, исследователи нашли менее загруженную длину волны света, чтобы разместить свои фотоны. Затем они добавили специальные фильтры, чтобы уменьшить шум от обычного интернет-трафика.
«Мы тщательно изучили, как рассеивается свет, и поместили наши фотоны в юридическую точку, где этот механизм рассеивания минимален», — сказал Кумар. «Мы обнаружили, что можем осуществлять квантовую коммуникацию без помех со стороны классических каналов, которые присутствуют одновременно».
Чтобы протестировать новый метод, Кумар и его команда установили 30-километровый оптоволоконный кабель с фотоном на каждом конце. Затем они одновременно отправили по нему квантовую информацию и обычный интернет-трафик. Наконец, они измерили качество квантовой информации на принимающей стороне, выполняя протокол телепортации, проводя квантовые измерения в средней точке. Исследователи обнаружили, что квантовая информация была успешно передана — даже при проносящемся через него загруженном интернет-трафике .
Далее Кумар планирует расширить эксперименты на более дальние расстояния. Он также планирует использовать две пары запутанных фотонов, а не одну пару, чтобы продемонстрировать обмен запутанностью, еще одну важную веху, ведущую к распределенным квантовым приложениям. Наконец, его команда изучает возможность проведения экспериментов на реальных оптических кабелях, заложенных в землю, а не на катушках в лаборатории. Но даже с учетом того, что предстоит еще много работы, Кумар настроен оптимистично.
«Квантовая телепортация способна обеспечить квантовую связь между географически удаленными узлами», — сказал Кумар. «Но многие люди долгое время предполагали, что никто не будет строить специализированную инфраструктуру для отправки частиц света. Если мы правильно выберем длины волн, нам не придется строить новую инфраструктуру. Классические коммуникации и квантовые коммуникации могут сосуществовать».
Дополнительная информация: Квантовая телепортация, сосуществующая с классической связью в оптоволокне, Optica (2024).
Препринт: Джордан М. Томас и др., Квантовая телепортация, сосуществующая с классической связью в оптоволокне, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2404.10738
Информация о журнале: Optica , arXiv
Предоставлено Северо-Западным университетом
Исследуйте дальше — Ученые нашли новый способ запутать свет и звук