Исследователи телепортируют информацию в алмаз

Исследователи из Йокогамского национального университета безопасно телепортировали квантовую информацию в пределах алмаза. Исследование имеет большое значение для квантовой информационной технологии — будущее того, как конфиденциальная информация передается и хранится.

Исследователи опубликовали свои результаты 28 июня 2019 года в области физики связи.

«Квантовая телепортация позволяет передавать квантовую информацию в иное недоступное пространство», — сказал Хидео Косака, профессор инженерного дела в Йокогамском национальном университете и автор исследования. «Это также позволяет передавать информацию в квантовую память, не раскрывая и не уничтожая хранимую квантовую информацию».

В этом случае недоступное пространство состояло из атомов углерода в алмазе. Сделанный из связанных, но индивидуально содержащихся атомов углерода, алмаз содержит идеальные ингредиенты для квантовой телепортации.

Атом углерода содержит шесть протонов и шесть нейтронов в своем ядре, окруженный 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.

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 примерно на четверть ширины человеческого волоса к поверхности алмаза. Они применили микроволновую и радиоволновую к проводу, чтобы создать колеблющееся магнитное поле вокруг алмаза. Они сформировали микроволновую печь, чтобы создать оптимальные, контролируемые условия для передачи квантовой информации внутри алмаза.

Косака затем использовал азотный наномагнит, чтобы закрепить электрон. Используя микроволновые и радиоволны, Косака заставил спин электрона 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.

«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.