"Гиперзапутанный" фотон вместил рекордное количество битов

Специалисты по квантовым компьютерам смогли передать рекордное количество битов в одном фотоне, используя запутывание его дополнительной степени свободы.

Исследователи из Иллинойского университета расширили возможности квантового плотного кодирования, применив для передачи информации фотоны, запутанные по двум степеням свободы - орбитальному моменту и спину. Тем самым им удалось передать в одной частице 1,63 бит, что является на сегодняшний момент рекордным показателем для систем квантового плотного кодирования.

Суть квантового плотного кодирования сводится к повышению информационной емкости квантовых частиц. Это реализуется за счет запутывания и белловских состояний - ортогональных друг другу квантовых состояний, важным свойством которых является возможность переводить в них частицы, воздействуя только на одну частицу из пары.

Благодаря этому свойству, один участник протокола обмена информацией может получить фотон пары и вернуть его обратно, изменив так, что совместное квантовое состояние частиц поменяется вполне определенным образом - оно может принять одно из 4 известных белловских состояний. После этого второму участнику протокола останется только определить это состояние доступными методами, и получить 2 бита информации.

Однако, используя фотоны, запутанные по одной степени свободы, участник данного протокола может декодировать только 3 из 4-х высланных сообщений. Поэтому в этом случае информационная емкость канала теоретически ограничивается значением 1,585 бит на частицу, а лучший ее реализованный практически показатель составил 1,13 бит на фотон.

Американский исследователь Пол Квиат (Paul Kwiat) с коллегами смог преодолеть этот рубеж благодаря гиперзапутыванию - запутыванию фотонов по дополнительной степени свободы. Пары фотонов запутывались методом спонтанного параметрического рассеяния на нелинейных кристаллах.

Как утверждают ученые, теоретически плотность передачи битов в одном гиперзапутанном фотоне, передаваемом по каналам плотного квантового кодирования, может составить 2,81. Достигнутый показатель - 1,63 бит на фотон - меньше этой величины из-за несовершенства используемой системы. Результаты исследования опубликованы в Nature Physics.