Атоми в мережі: як квантовий прорив наближає появу квантового Інтернету

25 жовтня, 13:03

Дослідження у сфері квантових комунікацій досягли монументального кроку на шляху до створення повноцінного квантового Інтернету та прикладних розподілених сенсорних систем. Вченим вдалося вперше встановити прямий квантовий зв'язок між окремими атомами та фотонами на довжині хвилі, яка ідеально підходить для поширення у стандартному комерційному оптоволокні. Про те, як саме дослідникам Університету Іллінойсу вдалося досягти цього зв'язку, та які переваги він дає, розповіло видання Earth.com, а ми підготували деталізований виклад найважливішого для розуміння майбутнього квантових технологій.

Атом як мережевий конектор: чому саме Ітертій-171

Проєкт, очолюваний Джейкобом П. Коуві, фокусується на створенні платформи, яка використовує широко відомі атоми як мережеві конектори для забезпечення квантових лінків на великі відстані. Об’єктом їхньої уваги став атом Ітертій-171. Ці атоми раніше служили елементами для підтримки часу в одних із найточніших оптичних годинників у світі, що свідчить про їхню виняткову стабільність та передбачуваність.

Спочатку команда планувала використовувати зелений фотон, що випромінюється ядерним кубітом атома в основному стані. Однак, в ході роботи було виявлено, що перехід на довжині хвилі 1389 нанометрів пропонує значно кращий шлях для створення стабільних та довготривалих квантових зв'язків. Цей вибір виявився критичним для переведення технології з лабораторії у прикладне використання.

Інженерний вибір, що вирішує все: 1389 нанометрів

Ключова технічна проблема в атомно-базованих квантових системах полягає в тому, що більшість із них випромінює світло у видимому або ультрафіолетовому діапазоні, яке дуже швидко втрачає інтенсивність при проходженні через довгі волоконно-оптичні кабелі. Натомість, стандартні телекомунікаційні волокна найкраще працюють зі світлом в діапазоні, близькому до 1550 нанометрів.

Інновація пристрою з Університету Іллінойсу полягає в тому, що він з самого початку випускає фотони саме у телекомунікаційному волоконному діапазоні. Довжина хвилі 1389 нанометрів вже оптимізована для швидкого проходження та низьких втрат у стандартних комерційних кабелях. Завдяки цьому вдалося уникнути необхідності у використанні окремого, проміжного конвертера частот. Такий конвертер неминуче призводить до втрати цінних фотонів та додає небажаний шум до системи. Це єдине, але стратегічне рішення значно зменшує кількість помилок, коли дві віддалені лабораторії намагаються обмінятися квантовою інформацією.

Архітектура системи та захист квантової пам'яті

Для забезпечення масштабованості та одночасної роботи команда розробила спеціальну геометрію: ряд захоплених атомів було відображено на відповідний ряд волоконних жил. Ця конфігурація дозволила багатьом атомно-фотонним зв'язкам функціонувати одночасно, не створюючи взаємних перешкод. Тести підтвердили рівномірну якість сигналу на всіх ділянках, а перехресні перешкоди залишалися незначними навіть при збільшенні кількості каналів. Конструкція також є сумісною з поширеними волоконними масивами, які вже використовуються у сучасному комунікаційному обладнанні.

Крім того, вчені розробили протокол, критично важливий для будь-якого квантового процесора, який повинен взаємодіяти з мережею, не втрачаючи свого місця в обчисленнях. Цей протокол захищає кубіт пам'яті — той, що зберігається, — тоді як комунікаційні кубіти керують мережевою взаємодією. Було продемонстровано, що збережений стан залишався когерентним протягом усього циклу передачі та виявлення.

Експериментальна доказова база та виклики

Фізичною основою для зв'язку стало квантове явище заплутаності: ядерний спін окремого атома ставав заплутаним із фотоном, який міг прибути або рано, або пізно. Ця пара створювала стан, який залишався скорельованим навіть після мандрівки через оптоволокно.

Експериментально фотони були відправлені через тестову бухту волокна довжиною 131 фут і очікуваний інтерференційний малюнок був успішно відновлений. Цей результат є раннім, але важливим доказом того, що помірні лабораторні відстані не стануть вузьким місцем для розгортання. Дослідники використовували надпровідні нанодротяні одноквантові детектори (SNSPDs) для виявлення одиночних частинок світла з дуже низькою кількістю хибних спрацьовувань. Вони зафіксували скориговану вірність стану Белла на рівні, близькому до 0.95.

Основні виклики, що залишилися, не є фундаментальними бар'єрами. Наразі виміряна вірність обмежена переважно помилками виявлення фотонів та недосконалою стабільністю інтерферометра. Ці технічні проблеми можуть бути покращені за допомогою кращого калібрування, контролю температури та кращої фільтрації.

Для подальшого прискорення процесу зв'язку та підвищення шансів на успішне віддалене заплутування, науковці планують розмістити масив атомів в оптичній порожнині. Ця пара дзеркал дозволяє спрямовувати світло в єдину моду, що може збільшити швидкість виявлення фотонів на порядки.

Практична цінність: квантові годинники, сенсори та безпека

Можливість прямого зв'язку в телекомунікаційному діапазоні з мінімальними втратами на міських відстанях без використання шумних ретрансляторів або конвертерів є значною перевагою. Спрощення конструкції також знижує кількість компонентів, що зменшує ймовірність збоїв та спрощує налаштування в лабораторії.

Цей прорив має пряме застосування у кількох галузях:

1. Розподілені квантові годинники: Оскільки Ітертій-171 знаходиться в основі найточніших годинників, з'єднання багатьох таких лабораторій в одну синхронізовану мережу дозволить усереднювати шум та значно покращити довгострокову стабільність часу.
2. Покращене зондування: Спільна заплутаність може підвищити точність квантових сенсорів, долаючи класичні обмеження.
3. Квантова безпека: Щойно два віддалені сайти поділять заплутану пару, вони зможуть запускати протоколи для обміну безпечними ключами або для розподіленого зондування.

Зрештою, робота демонструє, що один і той же атомний вид здатний нести на собі як обчислювальні, так і мережеві ролі. Це підкреслює, що не лише відкриття нової фізики, але й ретельний інженерний вибір, є вирішальним фактором у масштабуванні квантових платформ.

Глосарій ключових понять

Кубіт пам'яті (Memory Qubit): Квантовий біт, який використовується для зберігання квантової інформації в атомі або іншому носії. У даному експерименті він захищається від впливу мережевої комунікації.
Заплутаність (Entanglement): Фундаментальне квантове явище, при якому стани двох або більше частинок стають взаємозалежними, незалежно від відстані між ними.
Вірність стану Белла (Bell State Fidelity): Міра, що кількісно оцінює, наскільки точно експериментально створений заплутаний стан відповідає ідеальному теоретичному стану Белла. Значення 0.95 є високим показником якості квантового зв'язку.
Оптична порожнина (Optical Cavity): Пристрій, що складається з двох дзеркал, які обмежують світло і змушують його резонувати. Його використання значно підвищує ефективність захоплення та випромінювання фотонів атомом, що критично для прискорення квантових мереж.