Телепортация информации в алмаз

Исследователи из Йокогамского национального университета проведена безопасная телепортация квантовой информации в алмаз. Исследование имеет большое значение для квантовой информационной технологии и представляет собой будущее того, как конфиденциальная информация будет передаваться и храниться.

«Квантовая телепортация позволяет передавать квантовую информацию в иное недоступное пространство», – сказал автор исследования, профессор и инженер Хидео Косака из Йокогамского Национального университета. «Также возможно передавать информацию в квантовую память, не раскрывая и не уничтожая хранимую квантовую информацию».

Алмаз имеет идеальные параметры

В данном случае недоступное пространство состояло из атомов углерода в алмазе. Сделанный из связанных, но индивидуально структурированных атомов углерода, алмаз имеет идеальные параметры для квантовой телепортации.

Атом углерода содержит в своем ядре шесть протонов и нейтронов, и окружен шестью вращающимися электронами. Когда атомы связываются в алмаз, они образуют чрезвычайно сильную решетку. Однако алмазы могут иметь сложные дефекты, когда атом азота существует в одной из двух смежных вакансий, где должны находиться атомы углерода. Этот дефект называется азотно-вакансионным центром.

Наномагнит

Окруженная атомами углерода, структура ядра атома азота создает то, что Косака называет наномагнитом.

Чтобы манипулировать электроном и изотопом углерода в вакансии, Косака и команда прикрепили проволоку толщиной примерно в четверть ширины человеческого волоса к поверхности алмаза. Они применили микроволны и радиоволны к проводу, чтобы создать колеблющееся магнитное поле вокруг алмаза. Учёные сформировали микроволновую печь, чтобы создать оптимальные, контролируемые условия для передачи квантовой информации внутри алмаза.

Затем Косака использовал азотный наномагнит, чтобы закрепить электрон. Используя микро- и радиоволны, Косака заставил вращающийся электрон переплетаться с ядерным спином углерода – моментом импульса электрона и ядра атома углерода. Спин электрона разрушается под действием магнитного поля, создаваемого наномагнитом, что позволяет ему стать подверженным запутыванию. Как только две части запутаны, то есть их физические характеристики настолько переплетены, что их невозможно описать по отдельности, применяется фотон, который содержит квантовую информацию, и электрон поглощает фотон. Поглощение позволяет перенести состояние поляризации фотона в углерод, который опосредован запутанным электроном, демонстрируя телепортацию информации на квантовом уровне.

Квантовые повторители

«Успех хранения фотонов в другом узле устанавливает запутанность между двумя соседними узлами», – сказал Косака. Названный квантовыми повторителями, этот процесс может передавать отдельные порции информации от узла к узлу через квантовое поле.

«Наша конечная цель – реализовать масштабируемые квантовые повторители для квантовой связи на большие расстояния и распределенные квантовые компьютеры для крупномасштабных квантовых вычислений и метрологии» – сказал Косака.

Kazuya Tsurumoto, Ryota Kuroiwa, Hiroki Kano, Yuhei Sekiguchi, Hideo Kosaka.

Quantum teleportation-based state transfer of photon polarization into a carbon spin in diamond.

Communications Physics, 2019; 2 (1) DOI: 10.1038/s42005-019-0158-0