Впервые продемонстрирована переброска квантовой запутанности с использованием нелинейных эффектов

Экспериментальная установка для переброски запутанности на основе SFG. Автор: Национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT)

Национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT) впервые успешно продемонстрировал «переброску запутанности» — один из ключевых протоколов квантовой связи — с использованием генерации суммарной частоты (SFG) между одиночными фотонами.

Хотя нелинейные оптические эффекты одиночных фотонов давно теоретически признавались мощными инструментами для развития квантовых коммуникационных протоколов, такие эффекты чрезвычайно слабы на уровне отдельных фотонов и ранее никогда не применялись в квантовых операциях.

Объединив передовые технологии NICT, включая высокоскоростные источники запутанных пар фотонов, низкошумные сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы и высокоэффективный нелинейный оптический кристалл, исследовательская группа смогла наблюдать SFG между одиночными фотонами с беспрецедентным соотношением сигнал/шум.

Сравнение обычной переброски запутанности и новой SFG-методики. Автор: NICT

В области квантовой обработки информации, такой как квантовая связь и квантовые вычисления, операции с двумя кубитами являются фундаментальными строительными блоками.

В оптических реализациях для таких операций использовалась двухфотонная интерференция. Хотя этот метод позволяет использовать относительно простую экспериментальную установку, он имеет серьёзное ограничение: пока существование пары фотонов, полученной в результате переброски запутанности, не подтверждено измерением (и тем самым не разрушено), точность операции остаётся низкой.

Чтобы преодолеть это ограничение, была предложена теоретическая схема на основе переброски запутанности с использованием SFG между одиночными фотонами. В этом подходе, детектируя фотон, сгенерированный посредством SFG между двумя одиночными фотонами, становится возможным выполнить высокоточную переброску запутанности без разрушения результирующей запутанной пары фотонов.

Экспериментальные результаты: сигнал SFG-фотона и поляризационная корреляция переброшенного состояния. Автор: NICT

Первая в мире демонстрация

В этом исследовании команда подтвердила наличие сильной запутанности в конечном состоянии, оценив нижнюю границу точности относительно максимально запутанного состояния как 0,770 ± 0,076.

Эти результаты представляют собой первую в мире экспериментальную демонстрацию переброски запутанности посредством генерации суммарной частоты между одиночными фотонами. Это достижение знаменует значительный шаг вперёд в фотонной квантовой обработке информации.

Перспективы

Для применения текущей системы к более продвинутым квантовым информационным протоколам потребуется дальнейшее улучшение соотношения сигнал/шум.

В будущем исследовательская группа планирует повысить эффективность нелинейных оптических процессов, что приведёт к миниатюризации и повышению эффективности фотонных схем квантовой обработки информации, а также к увеличению дальности передачи в устройствах независимого квантового распределения ключей.

Больше информации: Yoshiaki Tsujimoto et al, Experimental entanglement swapping through single-photon χ⁽²⁾ nonlinearity, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63785-5