Команда фізиків з Університету науки й технологій Китаю встановила новий рекорд дальності для квантової заплутаності в оптоволокні. Вони змогли підтримувати заплутаний стан між двома квантовими пам’ятями, розділеними оптичним кабелем довжиною 420 кілометрів, повідомляє ScienceAlert. Це більш ніж у чотири рази перевищує попередні демонстрації та виходить за межі, де пряма передача сигналу досягає фундаментальних обмежень.
Дослідженням керували Сі-Юй Ло (Xi-Yu Luo), Чао-Ян Ван (Chao-Yang Wang) та Мін-Ян Чжен (Ming-Yang Zheng). У статті, прийнятій до публікації в Physical Review Letters, вони зазначають, що їхня установка слугує випробувальним стендом для квантових мереж, які виходять за межі міського масштабу.
Що таке квантова заплутаність і навіщо потрібні квантові пам’яті
Квантова заплутаність — це стан, коли властивості двох або більше частинок стають взаємопов’язаними. Вимірявши одну частинку, ми миттєво дізнаємося відповідні параметри іншої, навіть якщо вони розділені великою відстанню. Фізики описують це як спільний квантовий стан.
Багато експериментів із заплутаністю проводять з фотонами, тобто частинками світла. Але для майбутнього квантового інтернету цього недостатньо: потрібні квантові пам’яті — пристрої, здатні зберігати квантову інформацію. У новій роботі такими пам’ятями стали хмари атомів рубідію, охолоджені лазером до дуже низьких температур.
Як працювала установка «Аліса, Боб і Чарлі»
Система складалася з двох блоків пам’яті з хмарами рубідію, які дослідники умовно назвали Аліса та Боб. Між ними проклали 420-кілометровий оптоволоконний кабель. У середині лінії розташовувався вузол Чарлі, який приймав фотони, випромінені Алісою та Бобом.
Якщо Чарлі реєстрував правильну інтерференційну картину від цих фотонів, це означало, що між Алісою та Бобом успішно створено заплутаний стан — попри те, що самі квантові пам’яті «ніколи не зустрічаються» безпосередньо. Таким чином команда продемонструвала заплутаність «матерія-матерія» на повну довжину лінії у 420 кілометрів.
Три ключові техніки для подолання відстані
Досягнення стало можливим завдяки поєднанню трьох підходів. Кожен із них уже був відомий, але в цьому експерименті їх суттєво вдосконалили й об’єднали в одну систему.
- Перетворення частоти фотонів. Квантові пам’яті природно випромінюють фотони на довжинах хвиль, які сильно поглинаються оптоволокном. Щоб сигнал не згасав, дослідники перетворювали ці фотони на телекомунікаційні довжини хвиль, які значно краще передаються через волокно з меншими втратами.
- Стабілізація квантового сигналу. Квантові стани дуже чутливі до зовнішніх впливів: навіть мікроскопічні зміни температури чи вібрації можуть зруйнувати потрібну інтерференцію. Тому команда створила складну систему стабілізації, яка безперервно компенсувала такі флуктуації та зберігала синхронізацію квантових станів по всій лінії.
- Схема заплутаності з одним фотоном. Використано протокол, за якого для успішної заплутаності достатньо, щоб до Чарлі «дожив» лише один фотон, а не два. Це різко підвищує шанси на успіх на великих відстанях.
За словами авторів, більш ефективний протокол квантового перетворення частоти допоміг зменшити втрати у волокні та збільшити дальність передачі. Нову схему стабілізації фази можна відносно просто адаптувати й до інших платформ.
Обхід фундаментальної межі прямої передачі
У 2017 році було сформульовано теоретичну межу для передачі квантової інформації через канал із втратами без використання повторювачів або пам’ятей. Вона відома як межа PLOB і описує, наскільки швидко «втрачаються» квантові стани зі збільшенням відстані в оптоволокні.
У своїй роботі Ло та колеги показали, що на відстанях понад 320 кілометрів їхня система забезпечує успішну генерацію заплутаності з частотою, вищою за ту, яку можна було б досягти прямою передачею заплутаних фотонів через те саме волокно відповідно до межі PLOB. Це не порушення теоретичної межі, а демонстрація того, що мережі з квантовими пам’ятями справді можуть перевершувати найкращий можливий прямий оптичний канал.
Крок до квантових повторювачів і квантового інтернету
До повноцінного квантового інтернету ще далеко, але далекодійна заплутаність між квантовими пам’ятями вважається одним з основних будівельних блоків такої мережі. Нова робота показує, що цей блок може стабільно працювати на відстанях у сотні кілометрів оптоволокна.
Дослідники також підкреслюють, що їхня установка здатна генерувати заплутаність із високою швидкістю на коротших відстанях — близько 100 кілометрів. Це особливо важливо для створення квантових повторювачів, які мають з’єднувати багато віддалених сегментів заплутаності за допомогою операцій на кшталт «перестановки заплутаності» (entanglement swapping).
У поєднанні з технологіями зберігання квантових станів із тривалістю життя менше секунди в оптичних ґратах такі повторювачі можуть стати основою великих квантових мереж, що охоплюють значні відстані.