Международная группа ученых, включая исследователей из Университета Падерборна (Германия), впервые осуществила телепортацию состояния поляризации одиночного фотона, эмитированного квантовой точкой, в другую физически удаленную квантовую точку. Эксперимент, который проводился с использованием атмосферной оптической линии связи (free-space optical link) длиной 270 м между двумя зданиями университета, стал важным этапом создания будущих сетей квантовой связи. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Квантовые точки — это полупроводниковые наноструктуры, служащие источниками одиночных фотонов и запутанных фотонных пар. В эксперименте фотон из первой точки телепортировался во вторую с сохранением квантового состояния поляризации. Качество телепортации (верность состояния) достигло 82 ± 1%, что превышает классический предел более чем на 10 стандартных отклонений. Применялись GPS-синхронизация, сверхбыстрые детекторы одиночных фотонов и системы стабилизации, компенсирующие атмосферные турбулентности.

Ранее запутанные фотоны генерировались одним и тем же эмиттером (квантовой точкой), ограничивая применение таких систем в распределенных квантовых сетях. Использование различных независимых квантовых эмиттеров открывает возможность реализации квантового реле, передающего информацию между не имеющими прямого соединения фрагментами сети, не перемещая фотоны, а используя их запутанные состояния, что прежде оставалось недостижимой задачей.

Квантовое реле увеличивает дальность передачи квантовой информации, компенсируя потери сигнала и декогеренцию на больших расстояниях. Оно работает за счет создание запутанности между удаленными узлами сети путем телепортации квантовых состояний и свопинга запутанности (entanglement swapping) между промежуточными квантовыми эмиттерами.

Запутанные системы на основе нескольких частиц обеспечивают повышенную эффективность передачи данных и квантовых вычислений. Запутанность позволяет создавать защищенные каналы связи с высокими уровнями безопасности и надежности передачи данных. Переход от единичных к сложным запутанным системам с независимыми источниками является важным шагом в развитии практических квантовых сетей, открывая путь к появлению масштабируемых квантовых ретрансляторов и практической реализации квантового интернета, утверждают авторы исследования.

В их дальнейших планах — демонстрация свопинга запутанности между двумя квантовыми точками, реализующими функции первого квантового реле с двумя детерминированными источниками запутанных фотонных пар. Детерминированные источники этой первой квантовой ретрансляционной станции, должны надежно и без случайных потерь эмитировать одиночные фотоны, практически, «по нажатию кнопки», что до сих пор было сопряжено с серьезными трудностями.