Инженеры сделали еще один шаг к квантовому интернету

Ученые совершили прорыв в области квантовых коммуникаций. Инженеры из Имперского колледжа Лондона, Саутгемптонского университета, а также университетов Штутгарта и Вюрцбурга, впервые продемонстрировали успешное хранение и извлечение квантовой информации, кодированной в фотонах, с помощью стандартных оптоволоконных кабелей. Это открытие приближает нас к созданию глобальной квантовой сети – квантового интернета, который обещает революционизировать обработку информации, криптографию и другие области науки и техники. Подробности открытия изложены в статье для журнала Scientific Advances.

Трудности квантового интернета

Проблема передачи квантовой информации на большие расстояния заключается в её хрупкости. В отличие от классических битов, которые легко усиливаются репитерами вдоль оптоволоконных кабелей, кубиты – квантовые аналоги битов – крайне чувствительны к внешним воздействиям. Они легко подвержены декогеренции – потере квантовых свойств, ведущей к потере информации. Этот процесс, обусловленный взаимодействием кубита с окружающей средой, лимитирует дальность передачи квантовой информации. Даже малейшие флуктуации температуры, электромагнитного поля или вибрации могут привести к необратимой потере квантового состояния.

Для преодоления этого препятствия необходимы квантовые репитеры – устройства, способные хранить квантовую информацию, защищая её от декогеренции, и затем точно её восстанавливать и передавать дальше. В классических сетях репитеры усиливают сигнал, воспроизводя его копию. Однако простое копирование квантового состояния запрещено принципом запрета клонирования, фундаментальным законом квантовой механики. Поэтому квантовые репитеры должны работать по иному принципу, аккуратно сохраняя квантовое состояние и затем воспроизводя его с высокой точностью.

Найденное решение

Исследование, проведенное упомянутыми университетами, предлагает новаторское решение этой проблемы. Подробности метода пока не полностью раскрыты, однако известно, что он основан на принципах квантовой памяти, используя, вероятно, специальные материалы с долгоживущими квантовыми состояниями, позволяющие хранить квантовую информацию на протяжении значительного времени.

Существующие технологии генерации одиночных фотонов, необходимых для квантовых коммуникаций, также играют важную роль. Как отметила профессор Сара Томас, существует два основных подхода: нелинейное оптическое преобразование частоты и использование отдельных излучателей, таких как квантовые точки или дефекты в кристаллической решетке. Каждый подход имеет свои преимущества и недостатки. Нелинейное преобразование частоты, хотя и более развито технологически, часто страдает от низкой эффективности генерации одиночных фотонов. Источники на основе одиночных излучателей обещают более высокую эффективность, но их производство и интеграция в оптические схемы более сложны. Выбранный исследователями метод генерации одиночных фотонов в данном исследовании, к сожалению, не указан в краткой версии публикации.

Дальнейшие исследования в этом направлении будут направлены на улучшение эффективности и надежности квантовых репитеров, расширение дальности передачи квантовой информации и разработку более компактных и энергоэффективных устройств.