Шаг к квантовому интернету: квантовую информацию передали по обычному оптоволокну

Возможность обмениваться квантовой информацией имеет решающее значение для разработки квантовых сетей. Квантовые компьютеры могут превзойти аналоговые в тысячи раз. Квантовые вычисления будут полезны для решения многих важных задач: например, оптимизация финансовых рисков, расшифровка данных, проектирование молекул и изучение свойств материалов.

Однако у них есть слабые места: квантовая информация может быть потеряна при передаче на большие расстояния. Один из способов преодолеть это — разделить сеть на более мелкие сегменты и связать их все общим квантовым состоянием. То есть нужно средство для хранения квантовой информации и ее повторного извлечения — устройство квантовой памяти. 

Исследователи из Имперского колледжа Лондона впервые создали систему, которая соединяет эти два ключевых компонента и использует обычное оптоволокно для передачи квантовых данных. Результаты опубликованы в Science Advances.

В обычных телекоммуникациях, таких как Интернет или телефонные линии, информация тоже может быть потеряна на больших расстояниях. Чтобы бороться с этим, используют ретрансляторы, которые считывают и повторно усиливают сигнал. 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 ее невозможно «перехватить», не уничтожив и не предупредив пользователей. Однако для создания квантовых сетей на больших расстояниях это проблема.

Один из способов решения — поделиться квантовой информацией через запутанные частицы света (фотоны). Запутанные фотоны имеют общие свойства. Чтобы передать запутанность частицы на больших расстояниях в квантовой сети, нужны два устройства: одно для создания запутанных фотонов, а другое для их хранения и возможности последующего извлечения информации о состоянии этих частиц.

Уже существует несколько устройств, используемых для создания квантовой информации в виде запутанных фотонов и ее хранения, но генерация этого состояния по требованию и наличие совместимой квантовой памяти для их хранения до этого не создавались. Фотоны имеют определенные длины волн, но устройства для их создания и хранения часто настраиваются на работу с разными длинами.

Авторы нового исследования создали 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 их в облаке атомов рубидия. Лазер включал и выключал память, позволяя фотонам сохраняться и высвобождаться по требованию.

Длина волны этих двух устройств не только совпадает, но и находится на той же длине волны, что и используемые сегодня телекоммуникационные сети. Это позволяет передавать данные по обычным оптоволоконным кабелям. Хотя квантовая память уже была создана и до этого, новое исследование дало первое доказательство того, что устройства могут взаимодействовать на длинах волн обычных телекоммуникационных систем.