Физики телепортировали ион иттербия на расстояние в 1 метр

Ученым удалось телепортировать ион иттербия на расстояние 1 метр. Хоть телепортацией фотонов на сотни километров в наши дни уже никого не удивишь, предел для тяжелых частиц до этих пор был только несколько микрон. Раньше та же команда физиков смогла осуществить первый этап этого эксперимента – квантовое запутывание пары ионов, однако до передачи состояния частицы тогда не дошло.

Физикам из университетов Мериленда и Мичигана под руководством Стивена Ольмшенка удалось передать квантовое состояние от одного иона иттербия второму, располагающемуся на расстоянии 1 метр, с использованием нескольких фотонов и эффекта обмена квантовым запутыванием между частицами. Результаты работы учёных опубликованы в крайнем выпуске Science. Пока что эффективность примененного процесса не очень велика – из миллиарда операций всего лишь 22 заканчиваются передачей состояния, однако в дальнейшем такой процесс может помочь строению квантовых сетей – в предполагаемом квантовом компьютере данные удобно записывать в состоянии частиц, а передавать на дальнее расстояние её лучше с помощью квантов света.

Квантовая телепортация не предполагает физического перемещения частиц, это только передача её квантового состояния. Но так как все одинаковые частицы неразличимы, а квантовое состояние определяет все свойства частицы, то передачу состояния можно отождествить с перемещением. Теоретически ничего не мешает передать от одного телепорта к другому, к примеру, бутерброд с колбасой или сыром, если он сам над собой не производит измерений: бутерброд – это состояние очень большой системы изпротонов нейтронов и электронов. Однако пока по техническим соображениям это не возможно. Кроме того, существует теорема о невозможности квантового клонирования: для того чтобы телепортировать бутербродное состояние одной системы частиц, необходимо уничтожить исходный образец.

Учёные подготовили в двух отдельных ловушках два иона иттербия, неизвестное состояние одного из которых нужно было передать другому, находящемуся в заведомо известном состоянии. После чего два импульса лазера заставили ионы испустить два фотона, энергия которых зависит от начального состояния иона. Так как изначально один из ионов был в неопределенном состоянии, то в неопределенном же состоянии находится и один из испущеных фотонов. Но благодаря однозначной связи между энергией фотона и состоянием иона, фотон и ион оказываются запутанными – не существует такого состояния двух частиц по отдельности, которое было бы эквивалентно состоянию их системы в целом.

Затем эти два фотона следовали по световодам в интерферометр, где с ними проводилось замеры, не разделяющее две частицы (из-за требования провести одновременное измерение эффективность процесса настолько низка). При этом запутанность передаётся от системы «ион-фотон» к системе «ион-ион». Ну а дальше используется стандартный протокол – с передаваемым ионом производится измерение, и в зависимости от его результата ко второму иону применяется коррекция (облучение фотоном определённой частоты), после которой он оказывается в начальном состоянии первого иона. Последний этап описан в новой работе – всего остального удалось достичь ранее, однако на реализацию эксперимента ушло почти полтора года.