Дві незалежні групи дослідників оголосили про істотний прогрес в створенні квантових мереж: їм вдалося створити джерела одиночних фотонів, властивості яких «ідеально» підходять для передачі даних.
Ефекти квантової механіки, в тому числі заплутаність двох частинок (явище, при якому окремі стани двох розподілених атомів або частинок знаходяться у взаємозалежному стані), відкривають безліч технологічних можливостей. Одна з них — створення квантових мереж зв’язку (і навіть квантового інтернету), що забезпечують захист переданих даних від витоків і компрометації і обмін інформацією між квантовими системами. Таку квантову мережу можна реалізувати, заплутавши окремі носії квантової інформації, кубіти, один з одним за допомогою світла.
Дві незалежні групи дослідників оголосили про створення джерел одиночних фотонів, які необхідні для передачі даних в квантовій мережі. Німецькі дослідники з Інституту квантової оптики Товариства Макса Планка і Мюнхенського технічного університету використовували атоми ербія, вбудовані в кремнієвий кристал, які дають світло з частотою, що відповідає сучасним мереж зв’язку.
А інженери з Массачусетського технологічного інституту використовують нанокристали перовськітів, виробництво яких легко масштабувати. При цьому вони не вимагають екстремального охолодження і можуть працювати при кімнатній температурі.
Що таке квантова мережа?
Квантові комп’ютери теоретично можуть виконувати завдання, що не піддаються вирішенню навіть на найпотужніших у світі суперкомп’ютерах. Їх можна використовувати для моделювання властивостей матеріалів і складних систем. Але, щоб досягти по-справжньому значних результатів, потрібен ефективний спосіб з’єднання вузлів квантової інформації — розподілених квантових процесорів.
Оскільки квантові комп’ютери докорінно відрізняються від класичних, звичайні методи, використовувані для передачі інформації, не застосовні до них безпосередньо. Квантова інформація більш складна: замість того, щоб зберігати тільки значення 0 або 1, як в класичних комп’ютерах, кубіт може одночасно приймати значення 0 і 1 (явище, відоме як суперпозиція).
Ідеальним рішенням є квантова мережа — з’єднання, в якому здійснюється прямий обмін кубітами інформації зі збереженням квантовомеханічних властивостей. Квантова мережа пов’язує вузли обробки за допомогою фотонів, які проходять через спеціальні міжз’єднання, відомі як хвилеводи.
Перевага такого з’єднання полягає в тому, що квантові пристрої зв’язуються безпосередньо, забезпечуючи більш швидку обробку даних. Крім того, такі мережі можна використовувати для безпечної передачі даних: як тільки зловмисник спробує перехопити інформацію, «закодовану» в фотонах, квантові властивості частинок будуть втрачені, а дані стануть непридатними для використання.
Атоми Ербія в кремнієвому кристалі
Квантовий резонатор на основі кристала кремнію. Зображення: MCQST
Німецькі інженери розробили оптичний резонатор для квантових мереж на основі кристала кремнію, легованого атомами ербія. Розробка слід за попереднім дослідженням тієї ж групи по впровадженню окремих атомів рідкоземельного елемента в кристалічний кремній з використанням відносно низької температури (близько 500 °C), щоб гарантувати, що велика кількість атомів ербія не згрупується разом в решітці кремнію.
У новому дослідженні, результати якого опубліковані в журналі Optica, дослідники показали, що за допомогою таких кристалів можна генерувати поодинокі фотони із заданими властивостями. Атоми Ербія, поміщені в кремнієвий кристал, володіють чудовими оптичними властивостями, відзначають автори дослідження. Вони випромінюють світло з довжиною хвилі 1536 нм. Це практично ідентично світлу, яке використовується для передачі даних в класичних оптоволоконних мережах.
- Лід можна розплавити при температурі нижче нуля
- Штучна шкіра може замінити електронний годинник
- Пентагон планує озброїти винищувачі мікрохвильовими «пушками» (фото)
Інженери розробили резонатор, легований ербієм, який відрізняється від звичайних конструкцій тим, що в ньому немає дзеркал. Замість цього використовується регулярна структура отворів нанометрового розміру в кристалічному кремнії. Це означає, що весь резонатор має довжину всього кілька мікронів і містить всього кілька десятків атомів ербія. При з’єднанні резонатора з оптоволокном і збудження атомів за допомогою лазера дослідники продемонстрували можливість випромінювання окремих фотонів з бажаними характеристиками.
Дослідники відзначають дві основні переваги, які, за їхніми словами, роблять легований ербієм кремній «ідеальним кандидатом для побудови квантових мереж». По-перше, він заснований на класичному матеріалі, який широко використовується в напівпровідниковому виробництві, а значить масштабне створення потрібних компонентів не зажадає створення нових складних виробництв.
А по-друге, система працює при відносно високій (для квантових технологій) температурі — близько 8 К (-265 ° С). На відміну від систем, що працюють близько абсолютного нуля, такі умови простіше створити за допомогою охолодження в кріостаті з рідким гелієм.
Перовскіти як джерела одиночних фотонів
Нанокристали перовскітів. Зображення: MIT
Дослідники з MIT пропонують альтернативний матеріал для створення квантових мереж — перовскіти. Цей матеріал вже широко зарекомендував себе в якості потенційної альтернативи кремнію в фотоелементах. У дослідженні, опублікованому в журналі Nature Photonics, інженери показали, що вони також можуть генерувати потік ідентичних фотонів.
Для свого дослідження фізики використовували наночастинки свинцево-галітного перовськіту. Для фотоелементів використовуються тонкі плівки з цього матеріалу, а в формі наночастинок вони відрізняються неймовірно високою швидкістю кріогенного випромінювання, що відрізняє їх від інших колоїдних напівпровідникових наночастинок. Чим швидше випромінюється світло, тим більша ймовірність того, що вихідний сигнал матиме чітко визначену хвильову функцію, яка необхідна для квантових мереж.
Щоб перевірити, що фотони, які вони генерують, дійсно володіють потрібними властивостями, дослідники провели стандартний тест. Він полягає у виявленні особливого виду інтерференції між двома фотонами, ефект Хонга – У – Мандела. Результати експерименту підтвердили, що джерело випромінює квантове світло.
Дослідники відзначають, що поки установка не досконала і працює з перешкодами, але вони впевнені, що їх можна буде подолати, помістивши перовскіти в оптичний резонатор — ефект, який працює з іншими матеріалами.
Одночасно дослідники відзначають переваги технології в простоті виробництва.
Обидві запропоновані технології поки не є готовим рішенням для побудови квантових мереж. Але це крок в потрібному напрямку. Той факт, що різні групи дослідників по всьому світу розробляють альтернативні технології і намагаються знайти рішення, яке буде відносно дешеве і просто масштабувати, каже, що незабаром квантові мережі можуть стати реальністю.