Физики из ЮАР и Китая значительно упростили устройство квантовых каналов связи

Южноафриканские и китайские исследователи обнаружили, что частицы света, запутанные сразу на нескольких уровнях, можно передавать через самые простые разновидности оптического волокна. Это значительно удешевит и упростит системы квантовой связи, пишут исследователи в журнале ScienceAdvances.

"По сути, наши эксперименты открывают возможность использования уже существующих оптоволоконных сетей для передачи многомерных запутанных состояний. Это позволит соединить плюсы уже существующих систем двумерной квантовой связи с многомерными квантовыми системами", - отмечают ученые.

Оптическое волокно представляет собой нити из пластика или стекла, способные проводить не электричество, как обычные металлические провода, а пучки света. Как правило, его нити состоят из двух слоев - светопроводного сердечника и окружающей его оболочки из другого прозрачного материала, который обладает чуть меньшим индексом преломления, чем сердцевина.

Благодаря этому оптоволокно может захватывать и заставлять двигаться свет в четко заданном направлении, препятствуя его побегу во внешнюю среду через стенки нити. У всех типов оптоволокна, созданных за последние полвека, есть несколько общих проблем, которые ученые пока не смогли решить полностью.

Парадоксы квантового мира

В частности, как отмечают Эндрю Форбс, профессор университета Витватерсранда (ЮАР), и его коллеги из Китая, фактически все существующие типы оптоволокна нельзя использовать для постройки квантовых систем связи, использующих "многомерные" запутанные частицы света для передачи данных.

Это связано с тем, что подобные линии связи устроены таким образом, что через них свет может двигаться только на определенной длине волны. Подобное ограничение позволяет значительно повысить дальность передачи информации и максимально защитить линию связи от помех, возникающих в результате "неправильных" отражений сигнала и проникновения других частиц света в оптоволокно.

В прошлом ученые считали, что фотоны, запутанные на сразу нескольких уровнях, в принципе не способны двигаться в подобном оптоволокне. По этой причине физики и инженеры использовали специализированные световоды с более толстым сердечником, которые могут пропускать через себя сразу несколько пучков света с разными длинами волн. Свет в них гаснет значительно быстрее, что резко ограничивает дальность работы. По этой причине все существующие системы квантовой связи не используют "многомерную" запутанность в своей работе.

Форбс и его команда выяснили, что эти опасения были напрасными, успешно передав по обычному оптоволокну частицы света, запутанные сразу на четырех отдельных уровнях. Для этого ученые разбили многомерное квантовое состояние на пары запутанных фотонов, часть из которых была "закручена" в своеобразную спираль, после чего начали поочередно передавать их по каналу связи и через открытый воздух.

На обратном конце световода физики проводили обратную операцию, что позволяло им восстанавливать и считывать исходное состояние, не нарушая целостности данных. В теории, такой подход позволяет "упаковывать" в пары запутанных частиц света бесконечное число квантовых состояний, что не только ускорит и удешевит квантовые сети, но и может быть использовано при создании систем передач данных между компонентами квантовых компьютеров.