Объединенная группа исследователей из нескольких китайских научных учреждений преуспела в деле создания призрачной «запутанной» связи между двумя ячейками квантовой памяти при помощи оптоволоконного кабеля, длиной более 50 километров. Для реализации запутывания квантовой памяти на больших расстояниях ученым пришлось найти пути решения целого ряда сложных проблем, тем не менее, в данной технологии имеется и ряд других проблем, которые ученым еще предстоит решить, прежде чем эту технологию можно будет использовать в практических целях.Отметим, что ученые уже достаточно давно работают над созданием так называемого «квантового Интернета», аналога существующей глобальной сети, но намного более защищенного и безопасного. Одним из путей реализации является использование квантовых ключей, которые позволяют абонентам на концах коммуникационной линии узнать о факте постороннего вмешательства в процесс обмена информацией. Для этого требуется проведение измерений квантового состояния фотонов света, являющихся носителями квантовых ключей, это состояние может быть нарушено из-за вмешательства неблагоприятных факторов окружающей среды, что делает данный метод не очень практичным.

Другим подходом к созданию квантового Интернета является использование запутанных частиц для формирования сети. И у этого подхода также имеются свои проблемы и трудности в реализации, квантовые частицы, переносящие состояние квантовой запутанности, также очень чувствительны к окружающей среде и имеют короткое время существования, в течение которого сохраняется их квантовая природа.

Тем не менее, несмотря на имеющиеся проблемы, квантовые технологии постепенно движутся вперед. Группа китайских исследователей, о которой шла речь в самом начале, сначала успешно запутала ячейки квантовой памяти, которые находились в двух разных зданиях, разделенных расстоянием в 20 километров. Позже этот эксперимент был упрощен, ячейки памяти находились в одной лаборатории, а их запутывание производилось при помощи бухты оптоволоконного кабеля, длина которого превышала 50 километров.

В первом эксперименте использовалось маленькое облако атомов, которые все были помещены в определенное квантовое состояние, заключенное в полости специальной оптической впадины. Это позволяло атомам взаимодействовать с фотонами света, посредством которых осуществлялись операции чтения и записи информации. При записи информации облако атомов излучало фотон света, что говорило об успешном выполнении этой операции.

Излученный фотон света имеет определенную поляризацию, в которой отражается коллективное состояние атомов облака и это можно использовать для запутывания одной ячейки памяти (облака атомов) с другой. Для того, чтобы этот фотон мог пройти через оптоволокно большой длины, не исказившись и не растеряв заключенное в нем квантовое «содержимое», его длина волны была изменена при помощи специального устройства. Эффективность такого процесса оказалась не очень высока и составила всего 30 процентов на дистанции в 20 километров.

Во втором эксперименте в качестве ячеек квантовой памяти использовались уже фотоны света, которые запутывались друг с другом через оптоволокно, длиной в 50 километров.

К сожалению, пока еще ни одна из технологий, о которых речь шла выше, не способна обеспечить создание квантового Интернета. Тем не менее, оба эксперимента являются достаточно значимыми шагами, которые приближают ученых к их конечной цели.

Исследователи из университета Лидса, Великобритания, и Технологического университета Наньянга (Nanyang Technological University), Сингапур, разработали первый в своем роде «топологический лазер» фотоны света которого способны огибать углы и различные дефекты, не искажаясь и не рассеиваясь при этом. Данное достижение позволит улучшить процессы изготовления мощных промышленных лазеров, требующих экстремальных условий и высокой точности, ведь появление даже самого мельчайшего дефекта приводит к появлению технологического брака.

«В каждой партии изготовленных лазерных устройств всегда присутствует некоторая часть, которая неспособна излучать свет из-за дефектов, возникших во время производства» — рассказывает профессор Ци Цзе Ван (Qi Jie Wang), — «Именно поэтому мы сосредоточились на изучении топологических свойств света и его топологических состояниях, которые более стабильны, нежели обычные световые волны».

Для получения топологического состояния света ученые разработали специальный «долинный» фотонный кристалл (valley photonic crystal), который является оптическим аналогом двумерных электронных топологических изоляторов. Конструкция фотонного кристалла представляет собой пластину из полупроводникового материала, в которой вытравлены шестиугольные отверстия, при этом, эти отверстия располагаются строго в узлах компактной треугольной решетки. Топологические состояния света циркулируют по треугольной «петле», вписанной в 1.2-мм окружность, которая действует, как оптический резонатор для накопления энергии, необходимой для формирования луча лазерного света.«Свет циркулирует в петле, обходя острые вершины треугольника, не искажаясь и не рассеиваясь при этом. Все это происходит лишь благодаря некоторым уникальным свойствам и особенностям топологических состояний света» — рассказывает профессор И Дун Чун (Yi Dong Chong), теоретический физик из Сингапура, — «Обычные световые волны будут разрушены, столкнувшись с такими углами, что делает невозможным их непрерывную циркуляцию по резонатору такой сложной формы».

Интересной особенностью нового топологического лазера является то, что излучаемый им свет находится в терагерцовом диапазоне, между микроволновой и инфракрасной областями электромагнитного спектра. И, как мы уже неоднократно рассказывали на страницах нашего сайта, терагерцовое излучение имеет огромный потенциал для его использования в технологиях специализированной съемки, диагностике заболеваний, дистанционном обнаружении скрытых предметов и коммуникациях.

«Топологический лазер является ярким примером простого практического электронного устройства, в котором воплощены результаты теоретических изысканий и сложнейших исследований фундаментального физического явления» — рассказывает Джайлс Дэвис (Giles Davies), профессор из университета Лидса, — «И мы надеемся, что результаты наших исследований позволят в будущем как улучшить технологии производства лазерных систем, так и улучшить эффективность и другие характеристики этих же самых систем».