Обещая беспрецедентные уровни безопасности, квантовый интернет становится все ближе к реальности. Исследователи недавно добились значительных успехов в поддержании квантовой запутанности, что может привести к созданию первого квантового ретранслятора, необходимого для работы квантовой сети.

Квантовая запутанность, также известная как квантовое сцепленность, относится к типу связи, которая позволяет частицам оставаться коррелированными таким образом, что квантовое состояние одной из них мгновенно влияет на состояние другой, независимо от разделяющего их расстояния. Это явление лежит в основе квантового интернета, разработка которого в настоящее время находится в центре большого количества исследований. Одной из главных задач при создании Интернета будущего является квантовый ретранслятор. Это устройство необходимо для поддержания целостности информации, передаваемой по сети.

В обычной сети сигналы, проходящие большие расстояния, должны регулярно усиливаться, чтобы компенсировать потери при передаче. Однако в квантовой сети такой процесс усиления разрушает состояние частиц. Вот тут-то и приходит на помощь квантовый ретранслятор. Однако до сих пор ни одной исследовательской группе не удалось разработать даже жизнеспособную теоретическую модель. В двух недавних исследованиях, опубликованных в журнале Nature, наконец-то предложена правдоподобная архитектура такого устройства.

На пути к созданию квантового ретранслятора

Квантовые ретрансляторы теоретически функционируют как промежуточные ретрансляторы, расположенные между станциями связи квантовой сети. Они работают в несколько этапов, начиная с приема квантовых сигналов, обычно фотонов, которые выступают в роли кубитов (квантовых битов). Затем эта информация временно сохраняется в квантовой памяти, которая сохраняет состояние кубитов во время передачи.

Ретранслятор также отвечает за выполнение операций по улучшению качества сигнала и обнаружению попыток перехвата. После хранения и обработки сигналы передаются на следующую станцию квантовой связи.

Последние достижения позволили значительно улучшить этап хранения квантовой информации. Хотя время хранения по-прежнему составляет порядка секунды или меньше, эти достижения представляют собой еще один шаг на пути к созданию квантовых ретрансляторов.

Запоминание квантовых состояний с помощью алмазов и атомов рубидия

В первом исследовании, проведенном учеными Гарварда, была построена экспериментальная квантовая сеть с двумя узлами, расположенными на расстоянии 35 километров друг от друга и соединенными оптическим волокном. Каждый узел содержал алмаз с полостью атомного масштаба для хранения квантовых состояний. Целью эксперимента было поддержание квантовой запутанности между этими двумя точками. Для этого исследователи сначала запутали первый узел фотоном, а затем отправили его во второй узел, где он взаимодействовал с другим алмазом. Это взаимодействие удерживало два алмаза в запутанном состоянии в течение одной секунды, что, по словам исследователей, достаточно для выполнения дополнительных операций или передачи данных.

Во втором исследовании, проведенном в Университете науки и техники Китая, на этот раз участвовали три узла, расположенные на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга. Вместо алмазов каждый узел состоял из облака сверхохлажденных атомов рубидия (состояние, полученное после воздействия температуры, близкой к абсолютному нулю) и служил одновременно и памятью, и генератором запутанных фотонов. Эти фотоны обменивались между узлами, сохраняя запутанность в течение 100 микросекунд. Чтобы оптимизировать сохранение запутанности во всей сети, центральный узел был предназначен для синхронизации частот всех фотонов.