Створення того самого кристалу альтернативним методом може кардинально розширити можливості квантових мереж — збільшивши їхню дальність з кількох кілометрів до приблизно 2000 км. Це досягнення значно наближає до реальності перспективу квантового інтернету.
Квантові комп’ютери надзвичайно швидкі та потужні, але їх дуже складно з’єднувати на великі відстані.
До недавнього часу максимальна дистанція, на яку два квантові комп’ютери могли обмінюватися даними через оптоволоконний кабель, становила лише кілька кілометрів. Практично це означає, що навіть якби їх напряму з’єднати волокном, квантовий комп’ютер на кампусі Університету Чикаго на Саут-Сайді все одно не зміг би обмінюватися інформацією з іншим, розташованим у хмарочосі Вілліс-Тауер у центрі міста.
Нові дослідження, опубліковані 6 листопада 2025 року в журналі Nature Communications асистентом професора Тянь Чжуном з Пріцкерської школи молекулярної інженерії Університету Чикаго (UChicago PME), показали, що цю відстань можна радикально збільшити — до 2000 км.
Використовуючи метод Чжуна, той самий квантовий комп’ютер UChicago, який раніше не міг «дістатися» Вілліс-Тауру, тепер теоретично міг би з’єднатися з квантовим комп’ютером, що знаходиться за межами Солт-Лейк-Сіті, штат Юта.
«Вперше технологія створення квантового інтернету у глобальному масштабі стала реально досяжною», — сказав Чжун, який нещодавно отримав престижну премію Стерджа за цю роботу.
Подовження часу когерентності для збільшення дистанції зв’язку
Створення квантових мереж вимагає з’єднання квантових комп’ютерів шляхом утворення заплутаності між атомами, що надсилаються через оптоволоконний кабель. Ключовим фактором є те, як довго ці заплутані атоми можуть зберігати квантову когерентність, адже довший час когерентності дозволяє встановлювати зв’язок на більших відстанях.
У новому дослідженні команда Чжуна збільшила час когерентності окремих атомів ербію з 0,1 мілісекунди до понад 10 мілісекунд. В одному випадку вони досягли 24 мілісекунд — рівня, який теоретично може підтримувати з’єднання на 4000 км, що приблизно відповідає відстані від UChicago PME до Оканьї, Колумбія.
Як новий метод виготовлення змінює можливості
Інновація полягала не в нових матеріалах, а у створенні тих самих матеріалів іншим способом. Вони виготовили кристали, леговані рідкісноземельними елементами, необхідні для створення квантової заплутаності, за допомогою техніки молекулярно-променевої епітаксії (MBE), а не традиційним методом Чохральського.
«Традиційний спосіб — це, по суті, плавильний тигель», — пояснив Чжун. «Ви змішуєте інгредієнти в правильних пропорціях і розплавляєте все. Матеріал нагрівають до понад 2000 °C і повільно охолоджують, формуючи кристал.»
Потім отриманий кристал хімічно «вирізають» у потрібну форму — подібно до того, як скульптор вибирає мармурову плиту та відсікає все зайве.
MBE натомість більше схожа на 3D-друк: вона наносить шар за шаром, створюючи кристал одразу у потрібній формі.
«Ми починаємо з нічого і збираємо пристрій атом за атомом», — сказав Чжун. «Чистота та якість цього матеріалу настільки високі, що квантові властивості цих атомів стають винятково добрими.»
Попри те, що MBE — відома технологія, її ніколи не застосовували для створення цього типу матеріалу. Чжун і його команда працювали разом із фахівцем зі синтезу матеріалів, асистентом професора Шуолуном Яном, щоб адаптувати MBE для цієї задачі.
Професор Г’юґ Де Рідматтен з Інституту фотонних наук, визнаний світовий експерт (не залучений до дослідження), зазначив:
«Це надзвичайно інноваційний підхід. Він демонструє, що контрольована «знизу-вгору» нанофабрикація може створити одиничні рідкісноземельні іонні кубіти з чудовими оптичними й спіновими властивостями та довготривалим інтерфейсом спін–фотон на телекомунікаційних довжинах хвиль у пристрої, сумісному з оптоволоконними мережами. Це значний прорив.»
Випробування квантового зв’язку в лабораторії
Наступним кроком команда Чжуна перевірить, чи дозволяє збільшений час когерентності дійсно з’єднувати квантові комп’ютери на великі відстані.
«Перш ніж прокладати оптоволокно, скажімо, з Чикаго до Нью-Йорка, ми протестуємо все у моїй лабораторії», — пояснив він.
Це включає з’єднання двох кубітів у різних розріджувальних холодильниках («фріджах») в лабораторії Чжуна через 1000 км намотаного кабелю. Це наступний, але далеко не останній крок.
«Ми зараз будуємо третій холодильник у лабораторії. Коли все буде готово, утвориться локальна мережа, і ми спершу проведемо експерименти на місці, щоб змоделювати можливу майбутню мережу великої дальності», — сказав Чжун. «Це частина великої мети — створити справжній квантовий інтернет, і ми досягли ще одного важливого рубежу на цьому шляху.»