Исследователи впервые произвели, сохранили и извлекли квантовую информацию, что является важным шагом в создании квантовых сетей.
Возможность обмениваться квантовой информацией имеет решающее значение для разработки квантовых сетей для распределенных вычислений и безопасной связи. Квантовые вычисления будут полезны для решения некоторых важных типов задач, таких как оптимизация финансовых рисков, расшифровка данных, проектирование молекул и изучение свойств материалов.
Однако это развитие задерживается, поскольку квантовая информация может быть потеряна при передаче на большие расстояния. Один из способов преодолеть этот барьер — разделить сеть на более мелкие сегменты и связать их все общим квантовым состоянием.
Для этого требуется средство для хранения квантовой информации и ее повторного извлечения: то есть устройство квантовой памяти. Он должен «общаться» с другим устройством, которое в первую очередь позволяет создавать квантовую информацию.
Впервые исследователи создали такую систему, которая соединяет эти два ключевых компонента и использует обычные оптические волокна для передачи квантовых данных.
Этот подвиг был достигнут исследователями из Имперского колледжа Лондона, Университета Саутгемптона, а также университетов Штутгарта и Вюрцбурга в Германии. Результаты опубликованы в журнале Наука развивается.
Соавтор исследования доктор Сара Томас с факультета физики Имперского колледжа Лондона сказала: «Объединение двух ключевых устройств — это решающий шаг вперед в создании квантовых сетей, и мы очень рады тому, что стали первой командой, которая смогла это сделать. способен это продемонстрировать».
Соавтор исследования Лукас Вагнер из Штутгартского университета добавил: «Разрешить подключение удаленных объектов и даже квантовых компьютеров — важнейшая задача для будущих квантовых сетей».
Междугородняя связь
В обычных телекоммуникациях, таких как Интернет или телефонные линии, информация может быть потеряна на больших расстояниях. Чтобы бороться с этим, эти системы используют «ретрансляторы» в регулярных точках, которые считывают и повторно усиливают сигнал, гарантируя, что он доберется до пункта назначения в целости и сохранности.
Однако классические ретрансляторы нельзя использовать с квантовой информацией, поскольку любая попытка прочитать и скопировать информацию приведет к ее уничтожению. С одной стороны, это преимущество, поскольку квантовые соединения невозможно «перехватить», не уничтожив информацию и не предупредив пользователей. Тем не менее, это проблема, которую необходимо решить для создания квантовых сетей на больших расстояниях.
Один из способов решения этой проблемы — поделиться квантовой информацией в виде запутанных частиц света или фотонов. Запутанные фотоны имеют общие свойства таким образом, что невозможно понять одно без другого. Чтобы разделить запутанность на большие расстояния в квантовой сети, вам нужны два устройства: одно для создания запутанных фотонов, а другое для их хранения и возможности последующего извлечения.
Существует несколько устройств, используемых для создания квантовой информации в виде запутанных фотонов и ее хранения, но как генерация этих фотонов по требованию, так и наличие совместимой квантовой памяти для их хранения долгое время ускользали от исследователей.
Фотоны имеют определенные длины волн (которые в видимом свете создают разные цвета), но устройства для их создания и хранения часто настраиваются на работу с разными длинами волн, предотвращая их взаимодействие.
Чтобы обеспечить интерфейс устройств, команда создала систему, в которой оба устройства использовали одну и ту же длину волны. «Квантовая точка» производила (незапутанные) фотоны, которые затем передавались в систему квантовой памяти, которая сохраняла фотоны в облаке атомов рубидия. Лазер «включал» и «выключал» память, позволяя фотонам сохраняться и высвобождаться по требованию.
Длина волны этих двух устройств не только совпадала, но и находится на той же длине волны, что и используемые сегодня телекоммуникационные сети, что позволяет передавать данные по обычным оптоволоконным кабелям, привычным для повседневных подключений к Интернету.
Европейское сотрудничество
Источник света на основе квантовых точек был создан исследователями из Штутгартского университета при поддержке Вюрцбургского университета, а затем доставлен в Великобританию для взаимодействия с устройством квантовой памяти, созданным командой Imperial и Саутгемптона. Система была собрана в подвальной лаборатории Имперского колледжа Лондона.
Хотя были созданы независимые квантовые точки и квантовая память, которые более эффективны, чем новая система, это первое доказательство того, что устройства могут взаимодействовать на длинах волн телекоммуникаций.
Теперь команда будет стремиться улучшить систему, в том числе убедиться, что все фотоны производятся на одной и той же длине волны, увеличить время хранения фотонов и уменьшить всю систему.
Однако в качестве доказательства концепции это важный шаг вперед, говорит соавтор доктор Патрик Ледингем из Университета Саутгемптона. «Члены квантового сообщества уже некоторое время активно пытаются установить эту связь. В том числе и мы, уже дважды проводившие этот эксперимент с различными устройствами памяти и квантовых точек более пяти лет назад, что просто показывает, насколько сложно это сделать».
«Прорывом на этот раз стало приглашение экспертов для разработки и проведения каждой части эксперимента с помощью специального оборудования и совместной работы над синхронизацией устройств».