Вирішальне підключення завершено: закладено основу для квантового Інтернету

Дослідники вперше створили, зберегли та отримали квантову інформацію, що є критичним кроком у квантових мережах. Здатність обмінюватися квантовою інформацією має вирішальне значення для розробки квантових мереж для розподілених обчислень і безпечного зв’язку. Квантові обчислення будуть корисні для вирішення деяких важливих типів проблем, таких як оптимізація фінансових ризиків, дешифрування даних, конструювання молекул і вивчення властивостей матеріалів.

«Поєднання двох ключових пристроїв є важливим кроком вперед у створенні квантових мереж, і ми дуже раді бути першою командою, яка змогла це продемонструвати». — Доктор Сара Томас

Однак цей розвиток гальмується, оскільки квантова інформація може бути втрачена при передачі на великі відстані. Один зі способів подолання цього бар’єру — розділити мережу на менші сегменти та з’єднати їх усіх зі спільним квантовим станом.

Для цього потрібен засіб для зберігання квантової інформації та отримання її знову: тобто пристрій квантової пам’яті. Це має «розмовляти» з іншим пристроєм, який у першу чергу дозволяє створювати квантову інформацію.

Дослідники вперше створили таку систему, яка поєднує ці два ключові компоненти та використовує звичайні оптичні волокна для передачі квантових даних. Цього досягнення досягли дослідники з Імперського коледжу Лондона, Університету Саутгемптона та університетів Штутгарта та Вюрцбурга в Німеччині, результати опубліковані в Science Advances.

Співавтор д-р Сара Томас з фізичного факультету Імперського коледжу Лондона сказала: «Поєднання двох ключових пристроїв є важливим кроком вперед у створенні квантових мереж, і ми дуже раді бути першою командою, яка зробила це здатний продемонструвати це».

Співавтор Лукас Вагнер з Університету Штутгарта додав: «Дозволити з’єднуватися між віддаленими місцями і навіть квантовими комп’ютерами є критичним завданням для майбутніх квантових мереж».

Міжміський зв’язок

У звичайних телекомунікаціях, таких як Інтернет або телефонні лінії, інформація може бути втрачена на великих відстанях. Щоб боротися з цим, ці системи використовують «ретранслятори» у звичайних точках, які зчитують і повторно підсилюють сигнал, гарантуючи, що він дістанеться до місця призначення неушкодженим.

Класичні повторювачі, однак, не можна використовувати з квантовою інформацією, оскільки будь-яка спроба прочитати та скопіювати інформацію знищить її. З одного боку, це є перевагою, оскільки квантові зв’язки неможливо «перехопити», не знищивши інформацію та не попередивши користувачів. Але для міжміських квантових мереж це складний виклик.

Один зі способів подолання цієї проблеми — обмінюватися квантовою інформацією у формі заплутаних частинок світла або фотонів. Заплутані фотони мають такі властивості, що неможливо зрозуміти один без іншого. Щоб поділитися заплутаністю на великі відстані через квантову мережу, вам знадобляться два пристрої: один для створення заплутаних фотонів, а інший для їх зберігання та дозволу отримати їх пізніше.

Існує кілька пристроїв, які використовуються для створення та зберігання квантової інформації у формі заплутаних фотонів, але генерування цих фотонів на вимогу та наявність сумісної квантової пам’яті, в якій їх можна зберігати, довгий час уникали дослідників.

Фотони мають певну довжину хвилі (яка у видимому світлі створює різні кольори), але пристрої для їх створення та зберігання часто налаштовані на роботу з різними довжинами хвиль, запобігаючи їх взаємодії.

Щоб створити інтерфейс пристроїв, команда створила систему, в якій обидва пристрої використовували однакову довжину хвилі. «Квантова точка» створювала (не заплутані) фотони, які потім передавалися в систему квантової пам’яті, яка зберігала фотони в хмарі атомів рубідію. Лазер «вмикав» і «вимикав» пам’ять, дозволяючи фотонам зберігатися та вивільнятися на вимогу.

Довжина хвилі цих двох пристроїв не тільки збігалася, але й була на тій самій довжині хвилі, що й телекомунікаційні мережі, що використовуються сьогодні, що дозволяє передавати її за допомогою звичайних волоконно-оптичних кабелів, знайомих у повсякденному підключенні до Інтернету.

Європейське співробітництво

Джерело світла з квантовою точкою було створено дослідниками з Університету Штутгарта за підтримки Університету Вюрцбурга, а потім доставлено до Великобританії для взаємодії з пристроєм квантової пам’яті, створеним командою Imperial і Southampton. Система була зібрана в підвальній лабораторії Імперського коледжу Лондона.

«Цього разу проривом стало скликання експертів для розробки та проведення кожної частини експерименту за допомогою спеціального обладнання та спільної роботи для синхронізації пристроїв». — Доктор Патрік Ледінгем

Незважаючи на те, що були створені незалежні квантові точки та квантова пам’ять, ефективніші за нову систему, це перший доказ того, що пристрої можна створювати для інтерфейсу на телекомунікаційних довжинах хвиль.

Тепер команда намагатиметься вдосконалити систему, зокрема переконатися, що всі фотони виробляються на одній довжині хвилі, покращити тривалість зберігання фотонів і зменшити всю систему.

Проте, як доказ концепції, це важливий крок вперед, каже співавтор доктор Патрік Ледінгем з Університету Саутгемптона: «Члени квантової спільноти активно намагалися встановити зв’язок протягом деякого часу. Це включає в себе те, що ми вже двічі пробували цей експеримент із різними пристроями з пам’яттю та квантовими точками, повертаючись понад п’ять років назад, що просто показує, наскільки важко це зробити.

«Цього разу проривом стало скликання експертів для розробки та проведення кожної частини експерименту за допомогою спеціального обладнання та спільної роботи для синхронізації пристроїв».