Реальность интернет-сети, в которой передача данных полностью защищена от хакеров, приближается благодаря квантовой запутанности. Это происходит, когда две частицы, несмотря на расстояние между ними, ведут себя как единое целое: изменение в одной из них влияет на другую. Таким образом, если мы измеряем "свойства состояния" одной частицы, мы автоматически знаем свойства другой, независимо от расстояния между ними. Это идеальное условие для быстрой и безопасной передачи информации на большие расстояния. Недавно немецкие исследователи продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля, при этом потери данных были минимальными. Это рекордное расстояние для такого типа связи и является шагом на пути к быстрому и безопасному квантовому интернету.
Согласно квантовой физике, две частицы запутываются, когда у них есть общая история (обычно с участием одного и того же атома). Квантовая запутанность подразумевает, что независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, они продолжают вести себя по отношению друг к другу идентичным образом.
Именно на этом основаны квантовые вычисления. Это может позволить нам создать совершенно новую систему связи, квантовый интернет, где информация кодируется и передается с помощью кубитов - квантовой версии битов, позволяющей сохранять не только состояние 0 или 1, но и суперпозицию этих двух состояний. Как и современный Интернет, это позволит квантовым компьютерам со всего мира взаимодействовать между собой. Машины, способные одновременно работать вместе, пытаться решить проблемы во всех областях, а также общаться сверхбезопасным способом (теоретически связь будет неприкосновенной); с гораздо более высокой скоростью и производительностью.
Следует отметить, что квантовая информация может передаваться по оптическому волокну. Например, кремниевые чипы могут посылать друг другу пары "запутанных" фотонов (частиц света). Эти пары фотонов следуют друг за другом, пока не установится связь и не будет передана информация, но фотоны теряются на больших расстояниях. В результате исчезает и содержащаяся в них информация. Поэтому ученые пытаются исправить ситуацию, в частности, с помощью сетевых узлов, похожих на маршрутизаторы в классической сети Интернет. Задача состоит в том, чтобы найти способ повторять информацию, не изменяя ее, путем создания "повторителей", частично основанных на квантовой памяти.
Таким образом, обмен запутанностью между удаленными квантовыми системами является важнейшим компонентом для реализации будущих квантовых сетей. Недавно команда под руководством физиков Харальда Вайнфуртера из Мюнхенского университета имени Людвига Максимилиана (LMU) и профессора Кристофа Бехера из Саарского университета соединила две атомные квантовые памяти через 33-километровое оптоволоконное соединение, при этом обмен данными не пострадал. Их работа опубликована в журнале Nature.
Новый квантовый рекорд
Фотоны являются предпочтительным инструментом для опосредования распространения запутанности, обычно либо через контролируемое взаимодействие света и материи с локальной памятью, либо через обмен запутанностью от двух пар запутанных состояний фотон-память, что и происходит в настоящем исследовании. Инновационные применения этих сетей включают квантовые вычисления и независимое от устройств квантовое распределение ключей.
Для своего эксперимента исследователи использовали систему из двух оптически удерживаемых атомов рубидия в двух лабораториях на территории кампуса LMU. Оба объекта соединены волоконно-оптическим кабелем длиной 700 метров, который проходит под площадью Гешвистер-Шолль перед главным зданием университета. Благодаря добавлению дополнительных волокон на катушках были созданы соединения длиной до 33 километров.
Схема экспериментальной установки. © Тим ван Леент и др., 2022.
Каждый атом был возбужден лазерным импульсом, что заставило их испустить квантово запутанный фотон вместе с атомом. Другими словами, это фотонная запутанность с изюминкой, когда в смесь добавляется атомный материал для повышения эффективности, надежности и стабильности. Затем фотоны отправляются по оптоволоконным кабелям и встречаются на приемной станции в центре (реле). Там фотоны подвергаются совместному измерению, которое запутывает их - и поскольку каждый из них уже запутан со своим атомом, два атома также становятся запутанными друг с другом. Таким образом, информация не теряется и достигает другого конца кабеля.
Модификация фотонов для обеспечения связи
Решающим фактором успеха стало то, что исследователи преобразовали длину волны световых частиц, испускаемых этими квантовыми воспоминаниями, в длину волны, которую можно использовать в обычных телекоммуникациях, не изменяя поляризацию фотонов.
В пресс-релизе Вайнфуртер утверждает: "Таким образом, мы смогли значительно сократить потери фотонов и тем самым создать квантовую память даже на больших расстояниях по оптоволокну". В частности, с помощью двух так называемых квантовых преобразователей частоты они увеличили исходную длину волны 780 нанометров до длины волны 1517 нанометров, близкой к длине волны стандартных телекоммуникаций (около 1550 нанометров). В этом диапазоне частот передача света в стеклянных волокнах имеет наименьшие потери. Команда справилась с конверсией с беспрецедентной эффективностью в 57%.
Тим ван Леент, ведущий автор публикации, объясняет: "Особенность нашего эксперимента в том, что мы действительно запутываем две неподвижные частицы, то есть атомы, которые действуют как квантовая память. Это гораздо сложнее, чем запутывание фотонов, но имеет множество других применений".
Исследователи считают, что разработанная система может быть использована для построения крупномасштабных квантовых сетей и реализации защищенных протоколов квантовой связи. Харальд Вайнфуртер говорит: "Этот эксперимент - важный шаг на пути к квантовому интернету на основе существующих волоконно-оптических инфраструктур". Это можно объединить с такими технологиями, как спутники, которые уже способны излучать запутанные фотоны на расстояния в тысячи километров.
