Исследователи приблизились к созданию квантового интернета

Физики создали и проверили в деле первый прототип усилителя квантовых сигналов, сделанный на основе алмазных ячеек квантовой памяти. Описание их работы опубликовал научный журнал Nature.

"Сейчас мы работаем над расширением нашего эксперимента, встраивая системы квантовой памяти в реальные городские каналы оптоволоконной связи. Мы планируем создать большую сеть запутанных ячеек квантовой памяти и протестировать первые возможные практические применения "квантового интернета", – рассказал один из авторов работы, аспирант Гарвардского университета Ральф Ридингер.

Одна из главных проблем в работе современных систем квантовой связи заключается в том, что свет постепенно угасает при движении через оптоволокно. Поэтому при использовании наземных систем передачи данных расстояние между узлами квантовых сетей в лучшем случае может быть не более 200-300 километров.

Физики пытаются решить эту проблему двумя путями. С одной стороны, данные можно передавать не через наземные оптоволоконные кабели, а через спутники связи, подобные китайскому аппарату "Мо-Цзы". Первые эксперименты по созданию "квантового интернета" подобным путем китайские физики провели более двух лет назад.

С другой стороны, ученые создают так называемые повторители квантовых сигналов. Так физики называют особые устройства, которые должны считать поступающий в них сигнал, усилить его и отправить дальше к адресату, не нарушая при этом целостности данных. Сделать это довольно сложно, так как законы квантовой физики запрещают просто копировать квантовый сигнал.

Тем не менее, как показал еще десять лет назад российско-канадский физик Александр Львовский, эту задачу можно решить, если создать квантовую память – устройство, в котором можно в течение долгого времени хранить квантовые состояния, которые переносят частицы света, "путешествующие" через оптоволоконные линии.

Глобальный квантовый интернет

Эту задачу решили гарвардские физики под руководством Михаила Лукина. Они работали над проблемами, которые связаны в первую очередь с квантовыми вычислениями, а не с передачей информации. В частности, Лукин и его коллеги уже много лет разрабатывают кубиты, элементарные вычислительные блоки квантового компьютера, на основе так называемых "дефектных" алмазов или SiV-центров.

Так исследователи называют особые дефекты, которые представляют собой атомы азота, кремния или других элементов, "затесавшиеся" в толщу полупроводникового материала. Обычно таким материалом служат алмазы и различные соединения углерода. Появление чужеродных включений внутри них создает особое пустое место с необычными свойствами, подобными тому, как если бы там находился атом углерода в "замороженном" состоянии.

По сравнению с другими типами квантовых ячеек памяти, у SiV-кубитов очень длинный срок жизни. Однако их поведением и скоростью обновления достаточно сложно управлять. Команда Лукина и их коллеги из MIT смогли создать такие системы управления их работой, которые позволяют использовать дефектные алмазы в качестве основы для ячеек квантовой памяти. В них квантовые повторители могут хранить усиливаемый сигнал.

Если охладить такой алмаз до температуры, очень близкой к абсолютному нулю, передаваемая информация внутри него хранится на протяжении свыше 0,2 миллисекунд. По меркам квантовых систем связи и вычислений это огромное время. Как показали первые опыты Лукина и его коллег, этого хватает, чтобы усиливать сигнал без появления проблем с безопасностью, а также превзойти существующие системы передачи квантовых ключей в несколько раз.

"Мы продемонстрировали концептуальный прорыв, который резко расширит максимальную протяженность квантовых сетей, а также позволит применять многие квантовые технологии в том виде, в котором мы о них не могли подумать. Мы решили ту задачу, над которой билось все сообщество в последние два десятка лет", – подытожил Лукин.

Источник: m.vk.com

Комментарии: