На Лонг-Айленді з’явився новий маяк, але він не освітлює шлях кораблям. «Квантовий маяк» передає та приймає частинки світла, що несуть квантову інформацію, і стає ключовим елементом вільнопросторового оптичного (free-space optical, FSO) каналу між науковими установами. Про цей проєкт розповідає Newswise Science News.
Станція розташована на даху семиповерхової будівлі Національної лабораторії Брукгейвен (Brookhaven National Laboratory) Міністерства енергетики США. Вона є однією з трьох високотехнологічних установок, що формують FSO-лінк між Брукгейвеном, Університетом Стоуні-Брук (Stony Brook University) та Єльським університетом.
За словами провідної науковиці проєкту Джастін Гаупт (Justine Haupt), FSO-лінк можна порівняти з бездротовими технологіями, які колись дозволили класичному інтернету вийти за межі дротових з’єднань до супутників і мобільних мереж. Такий канал є однією з ключових технологій, необхідних, щоб квантовий інтернет став по-справжньому корисним.
Найдовша квантова мережа з бездротовою ланкою
Новий FSO-лінк — перший постійний канал такого типу — додає бездротовий сегмент до найдовшої в США квантової мережі, що простягається на 161 милю (приблизно 259 кілометрів) через Лонг-Айленд і Нью-Йоркську агломерацію.
У цій мережі дослідники передають заплутані фотони — пари частинок світла, які квантово пов’язані навіть на великих відстанях. Вимірювання одного фотона миттєво дає інформацію про його «близнюка». Така властивість може в майбутньому стати основою надзахищеного зв’язку, передових квантових сенсорів і об’єднаних квантових комп’ютерів.
Завдяки FSO-лінку вчені вже можуть надсилати заплутані фотони на 13 миль (21 кілометр) через повітря між «Квантовим маяком» у Брукгейвені (Upton, Нью-Йорк) та «Квантовою вежею спостереження» (Quantum Watchtower) в Стоуні-Брук. Незабаром до роботи долучиться третя, аналогічна установка в Єлі (Нью-Гейвен, Коннектикут), що дозволить передавати фотони на 30 миль (48 кілометрів) через протоку Лонг-Айленд-Саунд.
Директор Інституту квантових досліджень Стоуні-Брук Еден Фігуероа (Eden Figueroa) зазначає, що наука переходить від створення окремих квантових пристроїв у лабораторіях до інженерії великих квантових систем, зокрема довготривалих мереж. Об’єднуючи лабораторії волоконно-оптичними та вільнопросторовими квантовими каналами, дослідники фактично реалізують знамениті «моторошні дії на відстані» Ейнштейна та водночас будують захищені квантові мережі й навчають фахівців, які ними керуватимуть.
Від оптоволокна до телескопів
Заплутані фотони генерують у вузлах мережі, наприклад у Лабораторії квантової науки та технологій (QIST) Брукгейвену. Лазерне випромінювання спрямовують у спеціальний кристал або оптичний пристрій, де один фотон розщеплюється на заплутану пару. Далі ці фотони можуть розходитися різними шляхами й передаватися до інших вузлів через звичайні оптоволоконні кабелі.
Однак у точках FSO-лінку, таких як «Квантовий маяк», кабель уже не підходить — тут у гру вступають телескопи. Команда Гаупт з відділу інструментування Брукгейвену має великий досвід у телескопічних технологіях, зокрема у створенні компонентів для Обсерваторії Віри Рубін (Vera C. Rubin Observatory) з найбільшою у світі цифровою камерою. Та передавати світло між установами виявилося в певному сенсі складніше, ніж спостерігати далекі галактики.
На горизонті з великої відстані зображення сильно «розмазується» через атмосферу. Звичайне збільшення чи більша лінза не допомагають, тому спотворення потрібно компенсувати в режимі реального часу.
Гаупт пояснює, що світло можна уявити як пласку хвильову «площину», яка рухається простором. Турбулентна атмосфера «зминає» цю площину. Щоб її «розгладити», інженери застосовують адаптивну оптику: надтонкі дзеркала, які можна деформувати. Тисячі разів на секунду система змінює форму дзеркал так, щоб компенсувати атмосферні спотворення й отримати чіткий сигнал.
Спершу цю технологію розробляли для наземних телескопів, які також мають боротися з впливом атмосфери. Але між Брукгейвеном і Стоуні-Брук турбулентність навіть сильніша, ніж між Землею та зорями. Більшість атмосферних збурень виникає біля поверхні, де будівлі, дерева й нерівний рельєф взаємодіють із вітром, а різні матеріали (трава, асфальт) по-різному нагріваються й віддають тепло.
Астрономічні обсерваторії часто будують на висотах, щоб мінімізувати вплив цього «приземного» шару. Натомість FSO-лінк пропускає світло саме через нього на всій довжині маршруту, тому адаптивна оптика має працювати ще точніше, щоб промінь дійшов до приймального телескопа.
Як передати один фотон через 13 миль повітря
Корекція атмосфери — лише частина задачі. Оптоволокно, яким ідуть заплутані фотони між вузлами, має діаметр близько 5 мікронів, тобто менше ніж одна десята товщини людської волосини.
Щоб успішно передати фотони через 13 миль атмосфери, дослідники за допомогою адаптивної оптики розширюють цей крихітний промінь до 25 дюймів (0,6 метра) — до розміру головного дзеркала телескопа — а потім знову фокусують його до «точки», щоб ввести у волокно на приймальному боці.
Попри ці вражаючі інженерні рішення, FSO-телескопи залежать і від цілком буденних умов. Насамперед між Брукгейвеном і Стоуні-Брук має бути пряма видимість, тому «Квантовий маяк» встановили на єдиній будівлі лабораторії з відкритою лінією огляду на «Квантову вежу». Через це туман фактично блокує передачу фотонів.
Проблемою є й Сонце: воно посилює турбулентність і створює потужне фонове світло, на тлі якого складніше виявити окремі фотони. Гаупт порівнює це з ліхтариком на даху вдень — його просто не видно.
Водночас промінь FSO-лінку настільки слабкий, що його не здатні побачити ані звичайні сенсори, ані людське око, навіть уночі. За словами Гаупт, людина могла б дивитися прямо в промінь без шкоди для зору — він надто тьмяний.
На початковому етапі дослідники планують передавати фотони переважно вночі й за ясної погоди. Але мета — створити технології, які дозволять надсилати одиничні фотони будь-якої пори доби й за будь-яких погодних умов.
Асистентка директора лабораторії Брукгейвен з напрямку Discovery Technologies Габріелла Каріні (Gabriella Carini) підкреслює, що FSO-лінк демонструє унікальне поєднання експертизи лабораторії в галузі інструментування, оптики та квантової інформаційної науки. Водночас це лише початок: створена інфраструктура має допомогти перевести квантові дослідження від фундаментальної науки до реальних технологій.
Полігон для квантового майбутнього
На думку Гаупт, найцікавіше в FSO-лінку — це можливість проводити справді проривні експерименти. Один із потенційних напрямів — включення супутника до квантової мережі. Це могло б забезпечити захищений квантовий зв’язок у віддалених регіонах із мінімальною наземною інфраструктурою, перетворивши регіональну мережу на глобальну.
Поки державні структури та приватні компанії розробляють спеціалізовані квантові супутники, команда Брукгейвену планує відпрацьовувати з «Квантового маяка» відстеження звичайних супутників. Такі експерименти мають продемонструвати необхідну оптичну стабілізацію й точність наведення для майбутньої роботи з квантовими апаратами.
Почати зі звичайних супутників логічно ще й тому, що лінзи, дзеркала й інші оптичні елементи «Квантового маяка» підкоряються законам класичної фізики. Вони не генерують і не обробляють квантову інформацію, а лише передають заплутані фотони між вузлами, подібно до підземних кабелів.
У перспективі Гаупт і її колеги хочуть вийти за межі квантового зв’язку й дослідити, які нові можливості квантового сенсингу може відкрити FSO-лінк. Такі розробки потенційно можуть лягти в основу нових методів медичної візуалізації, камерних систем або астрономічних інструментів, здатних досліджувати Всесвіт із небаченою деталізацією.
Науковиця додає, що її надихає не лише науковий потенціал, а й сам процес роботи: лазери, великі телескопи на дахах будівель і розробка нових технологій. Проєкт переважно фінансується Офісом науки Міністерства енергетики США, який є найбільшим у країні спонсором фундаментальних досліджень у фізичних науках.