Ученые из Российского квантового центра под руководством профессора Александра Львовского разработали метод восстановления квантовой запутанности и проверили его в эксперименте. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Photonics, популярно о нем рассказывается на сайте Российского квантового центра.

Квантовая запутанность — феномен,при котором состояния двух или нескольких объектов – атомов, фотонов, ионов – оказываются связаны. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи – такие системы полностью исключают возможность незаметной «прослушки». Однако запутанные состояния очень хрупки, они легко разрушаются при передаче из-за помех. Создание запутанности тоже непростой процесс, который требует сложных экспериментальных установок. Поэтому возможности передачи квантовой информации сильно ограничены – существующие установки позволяют передать данные на расстояние не более 100 километров.

Ученые Российского квантового центра провели серию экспериментов, «в результате которого им удалось восстановить уровень квантовой корреляции между импульсами света в двух оптических волокнах, которая была почти полностью разрушена после прохождения через канал с 20-кратными оптическими потерями. Это соответствует уровню потерь в 65 километрах обычного оптоволоконного кабеля», говорится в сообщении.

В ходе эксперимента ученые «обстреливали» пиросекундными импульсами света, генерируемые титаново-сапфировым лазером, кристалл титанил-фосфата калия. В кристалле рождались запутанные пары фотонов, которые ученые отправляли в два разных оптических канала, причем в одном из них свет подвергался 20-кратному ослаблению с помощью затемненного стекла - в результате уровень запутанности падал почти до нуля. После этого световой импульс в канале смешивали со «вспомогательным» одиночным фотоном на светоделительной пластине, что должно было усилить сигнал до той мощности которая было до ослабления. На одном из выходов светоделителя ставился детектор одиночных фотонов. Если детектор «щелкал», это означало, что фотон как вошел в светоделитель, так и вышел.

Состояние второго входного импульса светоделителя – того самого, который составляет часть запутанного состояния –  в силу парадоксальных свойств квантовой интерференции меняется в сторону «усиления» его квантовых свойств, говорится в сообщении. Это явление, которое было открыто группой Львовского еще в 2002 году, получило название «квантового катализа», потому что «вспомогательный» фотон, как химический катализатор, сам в реакции не участвует, но меняет состояние света в другом канале. В работе 2015 года это явление оказалось важным:

«В то время это явление выглядело не более чем курьезным феноменом, каковых в квантовой физике множество. Теперь же оказалось, что оно имеет важное практическое применение — оно позволяет восстановить запутанность квантовых состояний света», - приводится в пресс-релизе объяснение Львовского.

Руководитель научной группы оценивает научный результат как шаг к созданию квантового повторителя — устройства, которое способно восстанавливать потери квантовой информации при передаче по оптоволоконным линиям связи, что в перспективе позволит создать глобальные системы передачи квантовых данных и снимет ограничения для квантовой криптографии.