Физикам удалось управлять одиночными фотонами в алмазах для квантового интернета
Ученые из Университета Гумбольдта в Берлине добились заметного прогресса на пути к построению квантовой сети будущего. Их работа посвящена созданию надежных источников одиночных фотонов — элементарных частиц света, которые служат переносчиками информации в квантовых системах. Эти результаты могут ускорить развитие так называемого квантового интернета, где информация передается по новым физическим принципам.
Что именно сделали исследователи
В центре внимания оказались алмазные кристаллы, но не просто драгоценные камни, а кристаллическая решетка с искомыми дефектами. В этих дефектах — атомах олова, пропущенных в структуру — возникают особые «цветовые центры», обозначаемые как SnV‑центры. Они ведут себя как маленькие квантовые устройства, способные хранить информацию и связывать ее с фотонами.
Одна из задач квантовой науки — научиться возбуждать такие центры светом так, чтобы они испускали одиночные фотоны, которые можно было бы использовать для передачи данных. До этого момента стандартные подходы требовали сложной фильтрации, что существенно снижало эффективность и ограничивало масштаб систем.
Команда берлинских физиков применила другой путь: они использовали сверхбыстрые лазерные импульсы. Эти вспышки света настолько короткие по времени, что позволяют захватывать и изменять квантовое состояние системы в новых временных масштабах.
«С помощью сверхбыстрых импульсов мы можем управлять квантовым состоянием в совершенно новых временных масштабах. Это открывает двери для более быстрых и сложных квантовых операций в алмазе», — сказал Джем Гюней Торун, аспирант, один из ведущих авторов исследования.
«Наш метод позволяет эффективно возбуждать систему, сохраняя при этом испускаемые одиночные фотоны чистыми и пригодными для использования. Это ключевое требование для создания практических сетей для квантовой связи», — пояснил его коллега и соавтор Мустафа Гекче
Как это приближает квантовые сети
В традиционных цифровых сетях информация кодируется двоичными значениями — нулями и единицами. В квантовых сетях используются кубиты — квантовые биты, которые могут находиться в нескольких состояниях одновременно. Это дает перспективу не только ускоренной обработки данных, но и сверхзащищённой передаче информации.
Чтобы кубиты работали в распределенных системах, необходимо добиться двух вещей: надежно создавать одиночные фотоны и сохранять квантовое состояние кубитов при передаче. В этом исследовании ученые также показали, что их подход сохраняет спиновое состояние системы — характеристику, критическую для возникновения квантовой запутанности, ещё одного важнейшего свойства для квантовых сетей будущего.
До сих пор получение одиночных фотонов в нужном качестве оставалось серьезной технической проблемой. Новый метод, названный SUPER, объединяет три направления: инженерную работу с алмазными наноструктурами, сверхбыструю оптику и теоретическое моделирование. Такая комбинация позволила команде показать, что продолжение пути к квантовым ретрансляторам и распределенным квантовым компьютерам — возможно.
Что такое SnV‑центры и зачем они нужны
SnV-центры возникают, когда в решетке алмаза атом углерода заменяется атомом олова. В результате появляются дефекты в кристалле, способные удерживать квантовую информацию. Похожим образом работают и другие такие дефекты, например NV-центры, которые уже давно используют в квантовых экспериментах
Представь, что кристалл — это плотная сетка из одинаковых ячеек. Если одну из них занять другим атомом, возникают новые свойства на квантовом уровне. Благодаря этому можно привязать квантовое состояние к фотону — и фотон, улетевший от центра, несёт информацию о состоянии кубита. Это и есть основа квантовой связи.
Перспективы и дальнейшие шаги
Результаты берлинской группы показывают путь к более надежным и масштабируемым компонентам таких систем. Следующие этапы будут связаны с тем, чтобы интегрировать эти одиночные источники фотонов в более крупные сети, а также проверить работу на больших расстояниях.
Этот прогресс — ещ один шаг на пути к тому, о чем ученые мечтали десятилетиями: сетям обмена информацией, которые используют законы квантовой физики для более быстрых и защищенных коммуникаций, чем сегодня возможны на основе классических технологий.
