Исследователи обнаружили недостающее звено квантового Интернета

Квантовый Интернет может использоваться для отправки максимально безопасных сообщений, которые не могут быть взломаны, а также повышения точности GPS и включения облачных квантовых вычислений. На протяжении более двадцати лет мечты о создании такой квантовой сети в значительной степени оставались недосягаемыми из-за трудности отправки квантовых сигналов на большие расстояния без потерь.

Теперь исследователи из Гарварда и Массачусетского технологического института нашли способ исправить потерю сигнала с помощью прототипа квантового узла, который может улавливать, хранить и запутывать биты квантовой информации. Исследование является недостающим звеном на пути к практическому квантовому интернету и крупным шагом вперед в развитии междугородных и даже международных квантовых сетей.

“Эта демонстрация является концептуальным прорывом, который может расширить максимально возможный диапазон квантовых сетей и потенциально открыть много новых приложений таким способом, который невозможен при использовании любых существующих технологий”, – сказал Михаил Лукин, профессор института физики им. Джорджа Фасмера Леверетта и Директор Гарвардского отделения по изучению квантовой физики. “Это реализация цели, которую преследует наше сообщество по изучению квантовой науки и техники, вот уже более двух десятилетий”. Исследование опубликовано в научном журнале Nature.

Все виды коммуникационных технологий – от первого телеграфа до современного оптоволоконного Интернета – должны были учитывать тот факт, что сигналы ухудшаются и теряются при передаче на большие расстояния. Первые ретрансляторы, которые принимают и усиливают сигналы, чтобы исправить эту потерю, были разработаны для усиления сигналов телеграфа в связи с повреждением устаревающих проводов в середине 1800-х годов. Спустя двести лет ретрансляторы являются неотъемлемой частью инфраструктуры дальней связи.

В классической сети, если Алиса в Нью-Йорке хочет отправить Бобу в Калифорнии сообщение, сообщение перемещается от побережья к побережью более или менее по прямой линии. По пути сигнал проходит через повторители, где он считывается, усиливается и проверяется на наличие ошибок. Весь процесс в любой момент уязвим для атак.

Однако если Алиса хочет отправить квантовое сообщение, процесс будет другим. Квантовые сети используют квантовые частицы света – отдельные фотоны – для передачи квантовых состояний света на большие расстояния. У этих сетей есть хитрость, которой нет у классических систем – это квантовая запутанность.

Запутывание – то, что Эйнштейн назвал “жутким действием на расстоянии” – позволяет битам информации быть идеально коррелированными на любом расстоянии. Поскольку квантовые системы не могут наблюдаться без изменений, Алиса могла бы использовать запутывание для сообщения Бобу, не опасаясь взлома своего сообщения. Это понятие является основой для приложений, таких как квантовая криптография – безопасность, которая гарантирована законами квантовой физики.

Однако на квантовую связь на большие расстояния также влияют обычные потери фотонов, которые являются одним из основных препятствий для реализации крупномасштабного квантового интернета. Но тот же физический принцип, который делает квантовую связь сверхбезопасной, также делает невозможным использование существующих классических ретрансляторов для устранения потери информации.

Как вы можете усилить и исправить сигнал, если вы не можете его прочитать? Решение этой, казалось бы, невозможной задачи предполагает так называемый квантовый ретранслятор. В отличие от классических повторителей, которые усиливают сигнал через существующую сеть, квантовые повторители создают сеть запутанных частиц, через которые может передаваться сообщение.

По сути, квантовый ретранслятор – это небольшой специализированный квантовый компьютер. На каждом этапе работы такой сети квантовые повторители должны иметь возможность улавливать и обрабатывать квантовые биты информации для исправления ошибок и сохранять их достаточно долго, чтобы остальная часть сети была готова их принять. До сих пор это было невозможно по двум причинам: во-первых, одиночные фотоны очень трудно уловить. Во-вторых, квантовая информация не стабильна, что делает ее очень сложной для обработки и хранения в течение длительных периодов времени.

Хонгкун Парк, Марк Хайман-младший, профессор химии Гарвардского факультета искусств и наук (FAS), и Дирк Энглунд, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте (MIT), работают над тем, чтобы использовать систему, которая может качественно выполнять обе эти задачи, а именно – вкрапления кремниевых частиц в алмазах.

Эти частицы представляют собой крошечные дефекты в атомной структуре алмаза, которые могут поглощать и излучать свет, создавая блестящие цвета алмаза.

“За последние несколько лет наши лаборатории работали над пониманием и контролем отдельных кремниевых цветовых частиц, особенно над тем, как использовать их в качестве устройств квантовой памяти для одиночных фотонов”, – сказал Михир Бхаскар, аспирант группы Лукина.

Исследователи интегрировали индивидуальную цветовую частицу в полость из алмазной наноткани, которая ограничивает поток информации. Затем они поместили устройство в холодильник, температура в котором близка к абсолютному нулю, и отправили отдельные фотоны через оптоволоконные кабели в другой такой же холодильник, где они были эффективно уловлены.

Устройство может хранить квантовую информацию за миллисекунды – это достаточно долго для передачи информации через тысячи километров.

“Это устройство сочетает в себе три наиболее важных элемента квантового повторителя – длинную память, способность эффективно улавливать информацией от фотонов и способно локально обрабатывать ее”, – сказал Барт Мачиелсе, аспирант Лаборатории наноразмерной оптики. “Каждая из этих проблем была решена отдельно, но ни одно устройство не объединило все три”.

“В настоящее время мы работаем над расширением этого исследования, используя квантовую память в реальных городских оптоволоконных каналах связи”, – сказал Ральф Ридингер (Ralf Riedinger), кандидат наук в группе Лукина. “Мы планируем создать большие сети запутанных квантовых воспоминаний и создать первые приложения квантового Интернета”.

“Это первая демонстрация на уровне системы, объединяющая основные достижения в области нанотехнологий, фотоники и квантового контроля, которая демонстрирует явное квантовое преимущество при передаче информации с использованием узлов квантового повторителя. Мы с нетерпением ждем начала исследования новых уникальных приложений, использующих эти методы”, – сказал Лукин.