«Квантовый интернет» продемонстрировали сразу в трех городах разных стран

«Квантовый интернет» продемонстрировали сразу в трех городах разных стран, пишет Nature.

d41586 024 01445 2 27093996
Узел квантовой сети в Делфтском технологическом университете в Нидерландах. / Марике де Лорийн из QuTech

Каждая из трех исследовательских групп смогла создать квантово-запутанные состояния на нескольких километрах существующих оптических волокон в реальных городских районах. Запутанность — это когда два или более объекта связаны таким образом, что содержат одинаковую информацию, даже если они находятся далеко друг от друга. По словам физика Трейси Нортап, эти эксперименты являются «самой продвинутой демонстрацией на сегодняшний день» прототипа «квантового интернета», который может обмениваться информацией с помощью практически неразрушаемого шифрования.

Эксперименты по созданию квантовой запутанности оптических волокон в трех реальных городах свидетельствуют о прогрессе в создании сетей, которые могут найти революционное применение.

Три отдельные исследовательские группы продемонстрировали квантовую запутанность, при которой два или более объекта связаны таким образом, что содержат одинаковую информацию, даже если они находятся далеко друг от друга, на нескольких километрах существующих оптических волокон в реальных городских районах. Это достижение является ключевым шагом на пути к будущему квантовому Интернету, сети, которая позволит обмениваться информацией, закодированной в квантовых состояниях.

По словам физика Трейси Нортап из Университета Инсбрука в Австрии, эти эксперименты являются «самой продвинутой демонстрацией на сегодняшний день» технологии, необходимой для создания квантового Интернета. Каждая из трех исследовательских групп, базирующихся в Соединенных Штатах, Китае и Нидерландах, смогла соединить части сети, используя фотоны в инфракрасной части спектра, пригодной для использования оптического волокна, что является «важной вехой», говорит физик из Инсбрука Саймон Байер.

Квантовый интернет может позволить любым двум пользователям создавать практически неразрушимые криптографические ключи для защиты конфиденциальной информации. Но полное использование запутанности может привести к гораздо большему, например, к объединению отдельных квантовых компьютеров в одну более крупную и мощную машину. Эта технология также может позволить проводить определенные виды научных экспериментов, например, путем создания сетей оптических телескопов, которые имеют разрешение одной антенны шириной в сотни километров.

Проблема в том, что квантовая информация хрупка и не может быть скопирована; она часто передается отдельными фотонами, а не лазерными импульсами, которые могут быть обнаружены, а затем усилены и испущены снова. Это позволяет запутанным фотонам преодолевать расстояние в несколько десятков километров, прежде чем потери сделают все это непрактичным. «На них также влияют изменения температуры в течение дня и даже ветер, если они находятся над землей», — говорит Нортап. «Вот почему создание запутанности в реальном городе — это большое дело».

В каждой из трех демонстраций использовались различные типы устройств «квантовой памяти» для хранения кубита, физической системы, такой как фотон или атом, которая может находиться в одном из двух состояний — сродни «1» или «0» обычных компьютерных битов — или в комбинации, или в «квантовой суперпозиции».- из двух возможных вариантов.

В одном из исследований Nature, проведенных под руководством Пан Цзянь-Вэя из Университета науки и технологии Китая (USTC) в Хэфэе, кубиты были закодированы в коллективных состояниях облаков атомов рубидия1. Квантовые состояния кубитов могут быть установлены с помощью одного фотона или могут быть считаны путем «щекотания» атомного облака, чтобы испустить фотон. Команда Пэна создала такие квантовые запоминающие устройства в трех отдельных лабораториях в районе Хэфэй. Каждая лаборатория была соединена оптическими волокнами с центральным «фотонным сервером», расположенным примерно в 10 километрах от нее. Любые два из этих узлов могут быть переведены в запутанное состояние, если фотоны из двух облаков атомов поступят на сервер точно в одно и то же время.

Напротив, Хэнсон и его команда установили связь между отдельными атомами азота, встроенными в небольшие кристаллы алмаза, с кубитами, закодированными в электронных состояниях азота и в ядерных состояниях близлежащих атомов углерода3. Их оптическое волокно шло от университета в Делфте по извилистому 25-километровому маршруту через пригороды Гааги ко второй лаборатории в городе.

В американском эксперименте Михаил Лукин, физик из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, и его коллеги также использовали устройства на основе алмаза, но с атомами кремния вместо азота, используя квантовые состояния как электрона, так и кремниевого ядра2. Отдельные атомы менее эффективны, чем атомные ансамбли, при испускании фотонов по требованию, но они более универсальны, поскольку могут выполнять элементарные квантовые вычисления. «По сути, мы объединили два небольших квантовых компьютера», — говорит Лукин. Два устройства на основе алмазов находились в одном здании в Гарварде, но, чтобы имитировать работу городской сети, исследователи использовали оптическое волокно, протянутое по всему Бостону. «Оно пересекает реку Чарльз шесть раз», — говорит Лукин.

Задачи, которые предстоит решить

Пан подсчитал, что при нынешних темпах развития к концу десятилетия его команда сможет связать более 1000 километров оптических волокон, используя около десяти промежуточных узлов, с помощью процедуры, называемой заменой связей.