Физики установили мировой рекорд по квантовой запутанности передав её через 420 километров оптоволокна
Китайские физики установили новый мировой рекорд по созданию квантовой запутанности между двумя квантовыми запоминающими устройствами, разделёнными оптоволоконной линией длиной 420 километров. Это более чем в четыре раза превышает предыдущие достижения для подобных систем и позволяет преодолеть фундаментальные ограничения прямой передачи квантовой информации по оптическому волокну.
Квантовая запутанность представляет собой одно из самых необычных явлений квантовой механики. При создании запутанного состояния свойства двух или нескольких частиц оказываются настолько тесно связанными, что измерение одной из них мгновенно определяет соответствующие характеристики другой, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Физики говорят, что такие частицы разделяют общее квантовое состояние.
До сих пор многие эксперименты по квантовой запутанности проводились с использованием фотонов. Однако для создания полноценного квантового интернета этого недостаточно. Будущие квантовые сети потребуют квантовых запоминающих устройств, способных хранить квантовую информацию. Именно такие устройства использовали исследователи под руководством Си-Юй Ло, Чао-Яна Вана и Мин-Яна Чжэна из Научно-технического университета Китая.
В эксперименте квантовыми запоминающими устройствами служили охлаждённые лазерами облака атомов рубидия. Два таких узла, получившие условные названия Alice и Bob, были соединены оптоволоконной линией общей длиной 420 километров.
Между ними находился третий узел — Charlie. Он принимал фотоны, испускаемые двумя квантовыми запоминающими устройствами. Если зарегистрированная интерференционная картина соответствовала расчётной, это означало, что между Alice и Bob успешно возникла квантовая запутанность, хотя сами устройства никогда напрямую не взаимодействовали друг с другом.
Эксперимент завершился успехом. Учёным впервые удалось создать квантовую запутанность между двумя квантовыми запоминающими устройствами через оптоволоконную линию такой протяжённости.
Для достижения рекорда исследователи объединили сразу несколько передовых технологий, каждая из которых уже существовала ранее, но их совместное применение позволило значительно увеличить расстояние передачи.
Одной из главных проблем была высокая потеря сигнала. Квантовые запоминающие устройства естественным образом испускают фотоны на длинах волн, которые довольно быстро поглощаются оптическим волокном. Чтобы снизить потери, исследователи преобразовали фотоны в диапазон длин волн, используемый в современных телекоммуникационных сетях. Благодаря этому сигнал смог распространяться значительно дальше.
Второй серьёзной проблемой стала чрезвычайная чувствительность квантовых состояний к внешним воздействиям. Даже минимальные изменения температуры или механические вибрации способны нарушить интерференцию, необходимую для формирования запутанности. Для решения этой задачи команда разработала систему активной стабилизации, которая непрерывно компенсировала возникающие колебания и поддерживала синхронизацию квантовых состояний по всей линии связи.
Третьим важным элементом стала схема создания запутанности, основанная на использовании одного фотона. В отличие от традиционных методов, где необходимо успешное прохождение двух фотонов, новая схема требует сохранения лишь одного, что существенно увеличивает вероятность успешной передачи на больших расстояниях.
По словам авторов работы, более эффективный протокол преобразования квантовой частоты позволил значительно уменьшить потери в оптоволокне и увеличить дальность передачи. Одновременно новая система стабилизации фаз обеспечила устойчивую работу схемы однофотонной интерференции, которую можно применять и в других квантовых платформах.
Исследование принесло ещё один важный результат. В квантовых коммуникациях существует фундаментальный предел эффективности передачи информации по оптоволокну без использования квантовых повторителей или квантовой памяти. Этот теоретический предел известен как граница PLOB и был сформулирован в 2017 году.
Команда показала, что на расстояниях свыше 320 километров разработанная система обеспечивает создание квантовой запутанности с более высокой скоростью, чем максимально возможная при прямой передаче запутанных фотонов по тому же самому оптоволокну, если ориентироваться на ограничения границы PLOB.
При этом исследователи подчёркивают, что речь не идёт о нарушении фундаментального закона. Напротив, результаты демонстрируют, что сети, использующие квантовую память, способны превзойти максимально возможную эффективность прямых оптоволоконных линий связи.
Хотя до появления полноценного квантового интернета ещё далеко, создание устойчивой квантовой запутанности между удалёнными квантовыми запоминающими устройствами считается одним из его важнейших технологических элементов. Новый эксперимент показывает, что такие системы уже могут работать на расстояниях в сотни километров.
Кроме того, учёные продемонстрировали возможность высокоскоростного создания квантовой запутанности и на более коротких расстояниях порядка 100 километров. Это особенно важно для разработки квантовых повторителей, которые в будущем смогут объединять множество удалённых сегментов квантовой сети в единую глобальную инфраструктуру.
По мнению авторов исследования, сочетание высокой скорости генерации запутанности с технологиями долговременного хранения квантовых состояний позволит использовать процедуру обмена запутанностью для соединения большого числа удалённых участков сети, что станет одним из ключевых шагов на пути к созданию практического квантового интернета.
Исследование в журнале Physical Review Letters.