Не Portal 3, но близко: квантовая телепортация информации внутри алмаза

Мы все знакомы с различными супергероями и их уникальными способностями, хотим мы того или нет. Потому вопрос о том, какую бы вы хотели иметь суперспособность, не такой и редкий. Кто-то хотел бы быть невероятно сильным, как Халк, кто-то — быстрым, как Флеш, а кто-то не отказался бы от суперспособности Бэтмена — денег. А вот те, кто хоть раз находился в пробке длиной от Марса до Венеры, все бы отдали за возможность телепортироваться. Концепция телепортации звучит весьма увлекательно с точки зрения научной фантастики, однако в реальности эта суперспособность также существует, но наделены ею далеко не люди. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Йокогамского университета (Япония) смогли телепортировать информацию внутри алмаза. Как ученые это сделали, каким боком тут квантовая физика, и что это значит для будущего технологий хранения данных? Ответы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Прежде всего стоит отметить, что полное название обсуждаемого явления — квантовая телепортация. Принцип этого процесса крайне важен для квантовых информационных технологий. Например, для реализации квантовой связи необходимы квантовые репитеры, которые будут передавать кубит (квантовый бит) в удаленный узел без раскрытия состояния этого самого кубита. Для вычислительных процедур телепортация поможет реализовать безопасную передачу входных и выходных данных через квантовую связь для квантовых слепых вычислений.

Самым важным аспектом квантовой телепортации является передача квантовой информации в недоступное пространство, что вполне ожидаемо, а также передача фотонной информации в квантовую память без раскрытия или уничтожения сохраненной квантовой информации.

В данном труде ученые демонстрируют рабочую схему передачи квантового состояния поляризации фотона в ядерный спин изотопа углерода, связанного с NV-центром* алмаза.

NV-центр* — азото-замещенная вакансия в алмазе, т.е. точечный дефект алмаза, когда нарушена структура его кристаллической решетки ввиду удаления атома углерода из узла решетки и связывания полученной вакансии с атомом азота.

Спин углерода сначала запутывается со спином электрона, которому потом разрешается поглощать фотон в собственном состоянии, коррелированном спин-орбитальным взаимодействием. Обнаружение электрона после релаксации в основном состоянии спина позволяет пост-выборочный перенос произвольной поляризации фотона в углеродную память.

Схема передачи квантового состояния позволяет реализовать квантовые запоминающие устройства как для масштабируемых квантовых повторителей (репитеров) дальней связи с квантовыми системами, так и для распределенных квантовых вычислений.

В данном труде ученые смогли успешно инициировать и манипулировать ядерным спином углерода посредством азота в качестве наномагнита для снятия вырождения электрона, поддерживая нулевое магнитное поле на ядерном спине углерода. Далее следует процесс передачи состояния поляризации фотонов в квантовое состояние спина, то есть телепортация. Все это было успешно проверено посредством практических экспериментов и наблюдений, с результатами которых мы ознакомимся чуть опосля, ибо сначала исследователи хотят пояснить нам принцип работы их чудо-технологии.

Принцип работы

Основой квантовой телепортации является подготовка запутанности и измерения в базисе Белла, что приводит к пост-селективной передаче квантового состояния (1а).


Изображение №1

В начале производится подготовка запутанности между спином электронов и ядерным спином углерода. Затем измеряется поляризация фотонов спин электронов в базисе Белла путем поглощения фотонов, чтобы перевести состояние поляризации фотонов в состояние спина углерода (1b, 1c).

В практическом протоколе односторонней системы квантовых репитеров с NV-центром в каждом узле фотон испускается из одного узла, оставляя электрон запутанным с данным фотоном (1d). Успешность хранения фотонов в другом узле устанавливает запутанность между двумя соседними узлами.

Отрицательно заряженный NV-центр в алмазе состоит из примеси азота (¹⁴N) и смежной вакансии (V), где локализован электрон (e) в триплетном состоянии (1b). Электрон и ядро азота обладают свойством спин 1, составляющим трехуровневую систему V-типа с двумя вырожденными состояниями m_s,I = ± 1 (обозначается как |±1⟩_e,N), которые составляют логический кубит, и состоянием m_s,I = 0 (обозначается как |0⟩_e,N), которое составляет вспомогательный кубит. Далее происходит расщепление нулевого поля (около 2,87 ГГц) для электрона и ядерное квадрупольное расщепление (около 4,95 МГц) для азота.

С другой стороны, углеродный ядерный спин (¹³C), слабо связанный с электроном посредством сверхтонкого взаимодействия (0,9 МГц в этом труде), показывает свойство 1/2 спина, составляющее двухуровневую систему с двумя вырожденными m_I = ± 1/2 состояниями (обозначается как |↑⟩_С, |↓⟩_С) в нулевом магнитном поле (1c).

Чтобы подготовить спиновую запутанность между электронным и углеродным ядерным спином, сначала их инициализируют в |0⟩_е, |↓⟩_С. Несмотря на то, что трудно инициализировать ядерный спин углерода в нулевом магнитном поле, ядерное квадрупольное расщепление ядерного спина азота с помощью поляризованного электронного спина делает возможным поляризацию в |+1⟩_N, что используется в качестве наномагнита для приложения локального магнитного поля на электрон для инициализации ядерного спина углерода (1c).


Изображение №2

Далее был применен красный свет для реализации CPT* (coherent population trapping), резонансно возбуждающего электрон в спин-орбитальном коррелированном собственном состоянии |А₂⟩ = 1/√2(|+1, -1⟩_l,e + |-1, +1⟩_l,e (l и e обозначают орбитальные и спиновые угловые моменты электрона), когда правая круговая поляризация |+1⟩_p сначала поляризует электрон в |+1⟩_e, а потом ядерный спин азота в |+1⟩_N (фиолетовая линия на 2а).

CPT* — феномен, когда совокупность атомов когерентно «застревает» в темном состоянии (атом или молекула не могут поглощать фотоны).

Таким образом, вырождение спина электрона снимается благодаря сверхтонкому взаимодействию с азотом, что способствует селективному переходу углеродного ядерного спина от |↓⟩_C к |↑⟩_C (зеленая линия на 2а). На изображении 2b показаны процессы инициализации ядерных спинов азота и углерода.

Электрон снова инициализируется в |0⟩_e с красным светом, резонансным состоянию |A_l⟩. Затем электрон и углерод обрабатываются с помощью микроволнового излучения и радиоволной для создания запутанности между ними в |Ф⁺⟩_e,C = 1/√2(|+1,↑⟩_e,C + |-1,↓⟩_e,C, что является одним из четырех состояний Белла. На изображении 2с показана квантовая схема всего процесса.

Далее электрону позволяется поглощать входящий фотон с произвольной поляризацией, которая возбуждает электрон в другое спин-орбитальное собственное состояние. Поглощение фотона проецирует состояние поляризации фотона и спиновое состояние электрона в одно из состояний Белла. Проекция подготовленного состояния, состоящего из произвольной поляризации фотонов и электронно-углеродного запутанного состояния, выражается следующим образом:



В результате получается состояние поляризации фотона с дополнительной унитарной операцией σ_y.

Экспериментальная реализация телепортации

А теперь можно перейти от слов (точнее формул) к делу. В первую очередь были проведены замеры фазовой корреляции между входным фотоном и перенесенным углеродом, что показывает сохранение квантовой когерентности в операции переноса.


Изображение №3

На изображении 3а продемонстрирована зависимость фотонной поляризации от популяции ядерных спинов углерода, измеренная по оси |+⟩_C — |-⟩_C. Эти данные были получены путем измерения количества фотонов после применения радиоволны и микроволнового излучения с последующим красным светом, резонирующим с состоянием |E_x⟩. Как ученые и предполагали, наблюдается сильная антифазная корреляция, указывающая на квантовый характер переноса.

Далее исследователи решили провести проверку верности квантового процесса при переносе состояний, применив для этого шесть базисных состояний поляризации фотона (3b), после чего оценили состояние ядерного спина углерода после переноса на основе томографии квантового состояния. На изображении 3b показаны Блоховские векторы для углеродных ядерных спиновых состояний, перенесенных из шести фотонных поляризаций.

Верность* — в квантовой информатике это мера близости двух квантовых состояний. Она выражает вероятность того, что одно из состояний пройдет тест, что идентифицирует его как второе.

Верность достигала в среднем 78 ± 2%, что значительно превышает классический предел в 67% (3d). Блоховские векторы позволили оценить квантовый канал переноса, что показано на 3d. Верность процесса переноса составила 76%. Это говорит о том, что канал переноса поддерживает квантовую когерентность.

Снижение верности передачи квантового состояния связано с несколькими факторами: несовершенство измерений запутанности и состояния Белла, что вызвано неполной инициализацией спинов (3f); смешивание орбитальных возбужденных состояний из-за деформации кристалла (3g); фазовое вращение при измерении состояния Белла; ошибки затвора.

Верность инициализации можно повысить путем повторения последовательности инициализации, а эффект деформации кристалла может быть нивелирован путем идентификации e_x и e_y, которые являются x и y компонентами деформации. Фазового вращения можно избежать, инициализируя ядерный спин азота в |0⟩_N перед переносом.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Сами исследователи говорят о том, что их методика пока находится на зачаточной стадии развития, о чем говорит успешность переноса поляризационного состояния лишь одного фотона, в то время как в одном импульсе (200 нВт, 20 нс) содержится порядка 10⁴ фотонов. Следовательно, вероятность переноса хотя бы двух из них составляет 2.5 %. Это не астрономически мало, но для хвастовства и бравады пока маловато, и ученые это понимают. В дальнейшем они намерены продолжить совершенствование своего детища. Они уверены, что их труд очень пригодится в реализации столь ожидаемых многими технологий как квантовые вычисления, квантовая связь и квантовые хранилища данных. Как бы долго ни занял процесс создания всех вышеперечисленных технологий, это точно произойдет раньше, чем выход Portal 3 (простите, не удержался).

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?