Квантовая телепортация вышла в космос

Группа ученых из Китайской академии наук провела спутниковый эксперимент по передаче квантовых состояний между парами запутанных фотонов (так называемая квантовая телепортация) на рекордное расстояние — более 1200 км.

Эффективность такой связи оказалась на порядок выше, чем при передаче фотонов через оптоволокно в более традиционных наземных телекоммуникационных экспериментах. Соответствующая статья опубликована в журнале Science.

Явление квантовой запутанности (или спутанности) возникает при взаимозависимости (коррелированности) состояний двух или большего числа частиц, которые можно разнести на сколь угодно далекие расстояния, но при этом они продолжают «чувствовать» друг друга. Измерение параметра одной частицы приводит к моментальному разрушению запутанного состояния другой, что сложно представить без понимания принципов квантовой механики, тем более что частицы (это было специально показано в экспериментах по нарушению так называемых неравенств Белла) не обладают никакими скрытыми параметрами, в которых бы сохранялась информация о состоянии «компаньона», и при этом мгновенное изменение состояния не приводит к нарушению принципа причинности и не позволяет передавать таким образом полезную информацию.

Для передачи реальной информации дополнительно необходимо участие частиц, движущихся со скоростью, не превышающей световую. В качестве запутанных частиц могут выступать, например, фотоны, имеющие общего прародителя, а в качестве зависимого параметра используется, скажем, их спин.

К передаче состояний запутанных частиц на все более дальние расстояния и в самых экстремальных условиях проявляют интерес не только ученые, занимающиеся фундаментальной физикой, но и инженеры, проектирующие защищенные коммуникации. Считается, что явление запутанности частиц в перспективе предоставит нам в принципе невзламываемые каналы связи. «Защитой» в этом случае послужит неизбежное уведомление участников разговора о том, что в их связь вмешался некто третий.

Свидетельством этому станут нерушимые законы физики — необратимый коллапс волновой функции.

Прототипы устройств для осуществления подобной защищенной квантовой связи уже созданы, однако возникают и идеи по компрометации работы всех этих «абсолютно защищенных каналов», например путем обратимых слабых квантовых измерений, поэтому до сих пор неясно, сможет ли квантовая криптография выйти из стадии испытания прототипов, не окажутся ли все разработки заранее обреченными и непригодными для практического применения.

Еще один момент: передача запутанных состояний осуществлялась до сих пор лишь на расстояния, не превышающие 100 км, из-за потерь фотонов в оптоволокне или в воздухе, поскольку вероятность того, что хотя бы часть фотонов доберется до детектора, становится исчезающе малой. Время от времени появляются сообщения об очередном достижении на этом пути, но охватить подобной связью весь земной шар пока не представляется возможным.

Так, в начале этого месяца канадские физики объявили об успешных попытках связаться по защищенному квантовому каналу с самолетом, но он находился лишь в 3–10 км от передатчика.

Одним из способов кардинального улучшения распространения сигнала признан так называемый протокол квантовых повторителей, но и его практическая ценность остается под вопросом из-за необходимости решения целого ряда сложных технических моментов.

Другой подход как раз и заключается в использовании спутниковых технологий, поскольку спутник может оставаться в прямой видимости одновременно для разных весьма отдаленных мест на Земле. Основным преимуществом такого подхода может быть то, что большая часть пути прохождения фотонов окажется практически в вакууме с почти нулевым поглощением и исключением декогеренции (нарушение когерентности, обусловленное взаимодействием частиц с окружающей средой).

Чтобы продемонстрировать целесообразность спутниковых экспериментов, китайские специалисты проводили предварительные наземные испытания, которые продемонстрировали успешное двунаправленное распространение запутанных пар фотонов через открытую среду на расстояния 600 м, 13 и 102 км с эффективной потерей канала 80 дБ. Были также проведены эксперименты по передаче квантовых состояний на движущихся платформах в условиях высоких потерь и турбулентности.

После подробных технико-экономических обоснований при участии австрийских ученых был разработан спутник стоимостью $100 млн, запущенный 16 августа 2016 года с космодрома Цзюцюань в пустыне Гоби с помощью ракеты-носителя «Чанчжэн-2D» на орбиту высотой 500 км.

Спутник получил наименование «Мо-цзы» в честь древнекитайского философа V века до н.э., основателя моизма (учение о всеобщей любви и государственном консеквенциализме). На протяжении нескольких столетий в Китае моизм успешно конкурировал с конфуцианством, пока последний не был принят в качестве государственной идеологии.

Поддержку миссии «Мо-цзы» обеспечивают три наземные станции: в Дэлинхе (провинция Цинхай), Наньшань в Урумчи (Синьцзян) и обсерватория GaoMeiGu (GMG) в Лицзяне (провинция Юньнань). Расстояние между Дэлинхе и Лицзянем составляет 1203 км. Расстояние между орбитальным спутником и этими наземными станциями колеблется в пределах 500–2000 км.

Из-за того что запутанные фотоны не могут быть просто «усилены», как классические сигналы, необходимо было разработать новые методы для уменьшения затухания в каналах передачи между Землей и спутниками. Чтобы добиться нужной эффективности связи, потребовалось достичь одновременно и минимальной расходимости пучков, и высокоскоростного и высокоточного наведения на детекторы.

Разработав ультраяркий космический источник двухфотонных запутываний и высокоточную технологию APT (acquiring, pointing, and tracking), группа установила «квантовое сцепление» между парами фотонов, разделенных 1203 км, ученые провели так называемое тестирование Белла для проверки нарушений локальности (возможность мгновенно повлиять на состояние удаленной частицы) и получили результат со статистической значимостью четыре сигма (среднеквадратических отклонения).

По сравнению с предыдущими методами с использованием самых распространенных коммерческих образцов телекоммуникационного оптоволокна эффективность спутникового соединения оказалась на много порядков выше, что, по мнению авторов исследования, открывает ему путь к практическим применениям, ранее недоступным на Земле.