В ходе новаторского эксперимента, подготовка к которому заняла три десятилетия, учёные телепортировали частицу на расстояние более 29 километров.
Будь то научно-фантастическое будущее, в котором люди перемещаются в пространстве с помощью телепортации, или более реалистичная концепция квантовых вычислений, наши представления о телепортации до сих пор всегда основывались на центральной предпосылке: способности переносить квантовые состояния между удалёнными друг от друга частицами, известной как запутанность. Запутанность, впервые описанная Эйнштейном в 1930-х годах, представляет собой одно из самых невероятных физических явлений в субатомном мире — в частности, тот факт, что частицы могут испытывать необъяснимую, невидимую связь даже на огромных расстояниях.
Когда положение, ориентация и другие свойства частицы передаются запутанной частице, находящейся в другом месте, принимающая частица немедленно приобретает характеристики исходной частицы. Но из-за малоизученного свойства квантовой физики исходная частица спонтанно перестаёт существовать в тот момент, когда передаётся информация. В результате получается идеальное физическое представление частицы в другом месте, что позволяет понять, как квантовая запутанность может быть основой для телепортации крупных объектов, таких как товары или люди, если увеличить масштаб до макроуровня.
Исследователи и учёные используют знания о запутанности для телепортации частиц с момента проведения первого успешного эксперимента в 1997 году, но передача информации невероятно хрупка и подвержена затуханию сигнала и декогеренции (когда квантовая система выходит из строя и может быть объяснена с точки зрения классической физики) при взаимодействии с другими волнами и полями. Это означает, что до сих пор единственными реальными успехами были случаи передачи информации об entangled-частицах по выделенным каналам, таким как автономные оптоволоконные соединения.
То есть до сих пор. В ходе новаторского научного эксперимента команде из Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета удалось телепортировать частицу через 29 километров общедоступной интернет-инфраструктуры. Они опубликовали свои результаты в декабре прошлого года в рецензируемом журнале Optica.
Новая работа имеет огромное значение, потому что это первый случай квантовой телепортации, осуществляемой по существующему интернет-каналу передачи данных. Из-за хрупкости процесса квантовой передачи учёные давно предполагали, что интернет-трафик следующего поколения, который будет квантовым по своей природе, не сможет сосуществовать с данными, которые сегодня используются для передачи бесконечных потоков Netflix, текстовых сообщений и транзакций в электронной коммерции. В некоторых экспериментах удавалось сохранить когерентность запутанного сигнала при передаче по смоделированным интернет-потокам, но не по самому интернету. Теперь все изменилось.
Команда из Северо-Западного университета знала, что им нужно придумать способ, с помощью которого запутанная частица — фотон, единственная частица, которая «переносит» свет в пространстве, — могла бы сохранять свою когерентность среди другого интернет-трафика со стандартной пропускной способностью 400 гигабит. Это путешествие было бы похоже на поездку на мотоцикле по забитой машинами автостраде, а не по пустынной просёлочной дороге. Секрет того, как провести фотон по этой забитой машинами автостраде, заключался в том, как свет рассеивается в среде. Исследователи обнаружили, что если они запустят фотон при правильных условиях, то смогут сократить путь, который проходит сигнал, и тем самым уменьшить помехи, с которыми он сталкивается.
Это толчок к развитию квантовых вычислений. Дело в том, что теория квантовых вычислений уже давно применяется в отдельных устройствах, где пути передачи данных тщательно управляются и контролируются. Когда-нибудь это приведёт к созданию гораздо более производительных автономных устройств, таких как телефоны, серверы и ноутбуки, но квантовый интернет — это совсем другое дело.
Как только мы до этого доберёмся, разница между квантовым интернетом и обычным интернетом будет примерно такой же, как разница между обычным интернетом и дымовыми сигналами. Квантовый интернет позволит создавать более мощные приложения, о которых мы пока можем только мечтать, не говоря уже о том, чтобы их создавать и внедрять. Вот лишь некоторые из них, которые мы можем себе представить: гораздо более мощная криптография; ИИ, который учится экспоненциально быстрее и лучше; а также средства для точного моделирования систем, которые слишком велики, быстро меняются и разнообразны, чтобы их можно было проанализировать сегодня, например, глобальную погоду.
Подобно сегодняшнему интернету, квантовый интернет будет работать по сети широко распределённых узлов и систем передачи данных, от радиоволн до оптоволоконных кабелей под землёй, для передачи информации между запутанными частицами. Препятствием всегда была невозможность передавать квантово-запутанную информацию вместе с бесчисленными другими сигналами, используя существующую инфраструктуру передачи данных. Но прорыв, совершённый командой из Северо-Западного университета, означает, что не нужно будет покупать и строить совершенно новые системы проводов, вышек и узлов специально для передачи квантовых данных.
Другими словами, это гигантский шаг вперёд к интернету будущего.