Квантовые сети — это основа для множества прорывных технологий, работающих по законам квантовой механики: от квантовых компьютеров и сенсоров до «квантового интернета», который обеспечит уровень защиты связи, недостижимый для классических технологий. Главная задача таких сетей — передача информации между разными квантовыми системами. Один из самых известных методов — квантовая телепортация, когда состояние частицы (не сама материя) переносится между светом и материей, например, атомами, ионами или кристаллами.

Квантовая телепортация — это передача квантового состояния одной частицы другой на расстоянии без физического переноса самой частицы. Проще говоря, информация «переписывается» с одного объекта на другой, сохраняя свою квантовую природу, но исходное состояние при этом разрушается (это гарантирует, что копирование невозможно).

Эксперименты с квантовой телепортацией уже проводились с разными комбинациями источников света и материалов, но до сих пор не было решения, совместимого с обычными телекоммуникационными сетями. Группа профессора Сяо-Сон Ма из Нанкинского университета совершила важный шаг в этом направлении. В статье для Physical Review Letters ученые описали, как им удалось телепортировать квантовое состояние света телекоммуникационного диапазона в твердотельную квантовую память. Их система не просто превзошла теоретические пределы классической физики — она доказала, что такой процесс невозможен без квантовых эффектов. И самое главное: все компоненты совместимы с существующей оптоволоконной инфраструктурой, что открывает путь к масштабируемым квантовым сетям.

От хранения к распределению

Идея квантового интернета развивается уже два десятилетия, но только сейчас появляются первые практические решения для дальних квантовых сетей. Чтобы расширить их, нужно решить две ключевые задачи: передавать квантовую информацию по обычным оптоволоконным линиям и надежно хранить ее в квантовой памяти. Группа Ма уже добилась рекордного времени хранения данных на телекоммуникационных длинах волн. Теперь они пошли дальше, реализовав телепортацию между светом и твердотельной памятью.

Высокая точность — главный критерий

Переход от простого хранения к телепортации — серьезный шаг. Важно, что само квантовое состояние в процессе не раскрывается: оно остается «неизвестным» на всех этапах. Именно поэтому телепортация так важна для квантовых технологий. Но чтобы информация не искажалась, процесс должен быть максимально точным. Эксперименты под руководством Юй-Ян Ань и Цянь Хэ подтвердили высокую надежность метода.

Ученые использовали кристаллы ортосиликата иттрия (YSO), легированные ионами эрбия. Эти ионы идеально подходят для телекоммуникационных сетей, так как работают на длине волны около 1,5 мкм. В сочетании с квантовым генератором на основе кремниевого микрокольцевого резонатора система смогла телепортировать состояние фотонов в квантовую память.

Результаты превысили пределы классической физики более чем на семь стандартных отклонений. Это доказывает две вещи: во-первых, эксперимент прошел именно так, как задумывалось, а во-вторых, повторить его без квантовых эффектов невозможно. Таким образом, новая платформа — важный шаг к масштабируемым квантовым сетям и, в перспективе, квантовому интернету.

Польза исследования

• Защищенная связь: квантовая телепортация исключает перехват данных, так как состояние частицы нельзя скопировать.
• Совместимость с инфраструктурой: не нужно прокладывать специальные линии — можно использовать существующие оптоволоконные сети.
• Масштабируемость: твердотельные квантовые памяти на основе эрбия проще интегрировать в реальные системы, чем, например, ионные ловушки.

Хотя эксперимент впечатляет, остается вопрос: как увеличить скорость телепортации? Пока процесс требует точной синхронизации и сложной аппаратуры, что может стать узким местом в реальных сетях. Кроме того, эрбий имеет ограниченную полосу пропускания, что может снизить эффективность при высокой нагрузке.

Ранее ученые произвели революцию в квантовых вычислениях.