Теперь команда из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне усовершенствовала технологию, основав нелинейный процесс на нанофотонной платформе из индия-галлия-фосфида. Результат значительно более эффективен, чем предыдущие системы, а это означает, что он требует гораздо меньше света и работает вплоть до одиночных фотонов, наименьшей единицы света. Впервые появился путь к тому, чтобы сделать возможными квантовые коммуникационные системы с нелинейной оптикой.

"Наша нелинейная система передает квантовую информацию с точностью 94%, по сравнению с теоретическим пределом в 33% для систем, использующих линейные оптические компоненты", - сказал Кейджи Фанг, профессор электротехники и вычислительной техники из Иллинойса и руководитель проекта. "Уже одно это демонстрирует мощь квантовой связи с нелинейной оптикой. Большая проблема, которую необходимо решить, - это эффективность. Используя нанофотонную платформу, мы увидели, что эффективность возросла настолько, что это показывает перспективность технологии".

Это исследование было недавно опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Передача квантовой информации по сетям облегчается протоколом квантовой телепортации. В нем феномен квантовой запутанности, при котором два квантовых объекта, обычно одиночные фотоны, влияют друг на друга, даже когда между ними нет видимой физической связи, используется для передачи квантовой информации между отправителем и получателем без передачи ее по каналу связи. Преимущество этой процедуры заключается в том, что влияние внешних шумов и дефектов канала значительно смягчается.

Есть два фактора, которые ограничивают эффективность квантовой телепортации. Во-первых, использование стандартных линейных оптических компонентов вносит присущую им неоднозначность в передачу. Во-вторых, запутанные фотоны создаются с помощью несовершенного процесса, подверженного ошибкам и избыточному шуму. В частности, источники запутывания обычно производят более одной пары фотонов одновременно, что делает неясным, действительно ли два фотона, используемые при телепортации, запутаны.

"Многофотонный шум возникает во всех реальных источниках запутанности, и это серьезная проблема для квантовых сетей", - сказала Элизабет Голдшмидт, профессор физики из Иллинойса и соавтор исследования. "Привлекательность нелинейной оптики заключается в том, что она может смягчить эффект многофотонного шума благодаря лежащей в ее основе физике, позволяя работать с несовершенными источниками запутанности".

Нелинейно-оптические компоненты заставляют фотоны разных частот объединяться и создавать новые фотоны на новых частотах. Для квантовой телепортации используется нелинейный процесс "генерации суммарной частоты" (SFG), при котором частоты двух фотонов складываются, образуя новый фотон. Однако исходные два фотона должны иметь определенные начальные частоты, чтобы произошел этот процесс.

Когда SFG используется в квантовой телепортации, протокол не выполняется, если обнаружены два фотона одинаковой частоты. Это отфильтровывает основной тип шума в большинстве источников запутанных фотонов и обеспечивает гораздо более высокую точность телепортации, чем это было бы возможно в противном случае. Основным недостатком является то, что преобразование SFG происходит с очень низкой вероятностью, что делает процесс телепортации крайне неэффективным.

"Исследователи знали об этом в течение длительного времени, но это не было полностью изучено из-за низкой вероятности успешного SFG", - сказал Фанг. "В прошлом лучшее, что было достигнуто, - это 1 на 100 миллионов. Нашим достижением является повышение эффективности преобразования в 10 000 раз до 1 из 10 000 с помощью нанофотонной платформы".

Исследователи с оптимизмом смотрят на то, что при дальнейшем развитии квантовая телепортация с использованием нелинейно-оптических компонентов может стать еще более эффективной. Они полагают, что это найдет применение в других протоколах квантовой связи, включая обмен запутанностью.