Создать самый надёжный шифр

Феномен квантовой запутанности, когда состояния двух или нескольких объектов — атомов, фотонов, ионов — связаны между собой, является основой современных квантовых технологий. Однако запутанные состояния очень хрупки и легко разрушаются. Поэтому передавать квантовую информацию на большие расстояния пока что невозможно.

Важным шагом в решении этой проблемы стал эксперимент, проведённый сотрудниками Российского квантового центра под руководством профессора Александра Львовского. Учёные разработали метод восстановления квантовой запутанности, которая была почти полностью разрушена после прохождения через канал с двадцатикратными оптическими потерями (статья с результатами эксперимента вышла в журнале Nature Photonics).

В качестве источника запутанных фотонов использовался нелинейный кристалл титанил-фосфата калия. Его «обстреливали» пикосекундными импульсами света, которые генерировал титан-сапфировый лазер. В результате в кристалле рождались запутанные пары фотонов. Их направляли по двум разным оптическим каналам. В одном из них свет подвергался двадцатикратному ослаблению с помощью затемнённого стекла, так что уровень запутанности падал почти до нуля.

Потом его снова повышали. Для этого световой импульс смешивали со вспомогательным одиночным фотоном на частично пропускающем свет зеркале. На одном из выходов этого устройства ставили детектор одиночных фотонов. Если он «щёлкнет», значит, фотон как вошёл в светоделитель, так и вышел. Казалось бы, состояние второго входного импульса не должно было измениться. Но в силу парадоксальных свойств квантовой интерференции это состояние меняется в сторону усиления его квантовых свойств.

«Конечно, за восстановление запутанности приходится платить: из миллиона слабо запутанных пар фотонов получается одна сильно запутанная. Но при этом уровень корреляции восстанавливается до первичной, и хотя скорость передачи данных несколько снижается, мы можем получить устойчивую связь на значительно большем расстоянии», — пишет соавтор исследования Александр Уланов.

Эта работа — один из этапов создания квантового повторителя — устройства, способного восстанавливать потери квантовой информации при передаче по оптоволоконным линиям связи. В перспективе это снимет ограничения для квантовой криптографии, а значит, позволит создавать самые надёжные в истории человечества замки и шифры.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №11 (13) за ноябрь 2015 г.