Квантовый интернет может использоваться для отправки не взламываемых сообщений, повышения точности GPS и включения облачных квантовых вычислений. На протяжении более 20 лет мечты о создании такой квантовой сети в значительной степени оставались недосягаемыми из-за трудности отправки квантовых сигналов на большие расстояния без потерь.

Теперь исследователи из Гарвардского и Массачусетского технологических институтов (MIT) нашли способ исправить потерю сигнала с помощью прототипа квантового узла, который может улавливать, хранить и запутывать биты квантовой информации. Исследование является недостающим звеном на пути к практическому квантовому интернету и крупным шагом вперед в развитии междугородных квантовых сетей.

«Эта демонстрация является концептуальным прорывом, который может расширить максимально возможный диапазон квантовых сетей и потенциально открыть много новых приложений способом, который невозможен при использовании любых существующих технологий», — сказал Михаил Лукин, профессор физики им. Джорджа Фасмера Леверетта и соавтор директор Гарвардской квантовой инициативы. «Это реализация цели, которую преследует наше сообщество квантовой науки и техники более двух десятилетий».

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Все виды коммуникационных технологий — от первого телеграфа до современного оптоволоконного Интернета — должны были учитывать тот факт, что сигналы ухудшаются и теряются при передаче на большие расстояния. Первые ретрансляторы, которые принимают и усиливают сигналы, чтобы исправить эту потерю, были разработаны для усиления сигналов телеграфа с исключением проводов в середине 1800-х годов. Спустя двести лет ретрансляторы являются неотъемлемой частью нашей инфраструктуры дальней связи.

В классической сети, если Алиса в Нью-Йорке хочет отправить Бобу в Калифорнии сообщение, сообщение перемещается от побережья к побережью более или менее по прямой линии. По пути сигнал проходит через повторители, где он считывается, усиливается и исправляется на наличие ошибок. Весь процесс в любой момент уязвим для атак.

Однако если Алиса хочет отправить квантовое сообщение, процесс будет другим. Квантовые сети используют квантовые частицы света — отдельные фотоны — для передачи квантовых состояний света на большие расстояния. У этих сетей есть хитрость, которой нет у классических систем: запутанность.

Запутывание – то, что Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии» — позволяет битам информации быть идеально коррелированными на любом расстоянии. Поскольку квантовые системы не могут наблюдаться без изменений, Алиса могла бы использовать запутывание для сообщения Бобу, не опасаясь подслушивающих. Это понятие является основой для приложений, таких как квантовая криптография — безопасность, которая гарантирована законами квантовой физики.

Это реализация цели, которую преследует наше сообщество квантовой науки и техники более двух десятилетий

Михаил Лукин

Однако на квантовую связь на большие расстояния также влияют обычные потери фотонов, которые являются одним из основных препятствий для реализации крупномасштабного квантового интернета. Но тот же физический принцип, который делает квантовую связь сверхбезопасной, также делает невозможным использование существующих классических ретрансляторов для устранения потери информации.

Как вы можете усилить и исправить сигнал, если вы не можете прочитать его? Решение этой, казалось бы, невозможной задачи предполагает так называемый квантовый ретранслятор. В отличие от классических повторителей, которые усиливают сигнал через существующую сеть, квантовые повторители создают сеть запутанных частиц, через которые может передаваться сообщение.

По сути, квантовый ретранслятор – это небольшой специализированный квантовый компьютер. На каждом этапе такой сети квантовые повторители должны иметь возможность улавливать и обрабатывать квантовые биты квантовой информации для исправления ошибок и сохранять их достаточно долго, чтобы остальная часть сети была готова. До сих пор это было невозможно по двум причинам: во-первых, одиночные фотоны очень трудно уловить. Во-вторых, квантовая информация общеизвестно хрупка, что делает ее очень сложной для обработки и хранения в течение длительных периодов времени.

Лаборатория Лукина, в сотрудничестве с Марко Лонкаром, профессором электротехники Tiantsai Lin в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS), Hongkun Park, Марком Хайманом-младшим, профессором химии Гарвардского факультета искусств и Наук (FAS) и Дирк Энглунд, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте, работают над созданием системы, которая может хорошо выполнять обе эти задачи – кремниевые вакансии цветовых центров в алмазах.

Мы планируем создать большие сети запутанного квантового сообщения и исследовать первые приложения квантового Интернета

Ральф Ридингер

Эти центры представляют собой крошечные дефекты в атомной структуре алмаза, которые могут поглощать и излучать свет, вызывая блестящие цвета алмаза.

«В течение последних нескольких лет наши лаборатории работали над пониманием и контролем отдельных кремниевых цветовых центров, особенно над тем, как использовать их в качестве устройств квантовой памяти для одиночных фотонов», — сказал Михир Бхаскар, Высшая школа искусств и наук ( GSAS) студент группы Лукина.

Исследователи интегрировали отдельный цветовой центр в полость из алмазной нанотрубки, которая ограничивает информационные фотоны и заставляет их взаимодействовать с единым цветным центром. Затем они поместили устройство в холодильник для разведения, в котором достигается температура, близкая к абсолютному нулю, и отправили отдельные фотоны через оптоволоконные кабели в холодильник, где они были эффективно уловлены и прочитаны центром цвета.

Устройство может хранить квантовую информацию миллисекунды — достаточно долго для передачи информации через тысячи километров. Электроды, встроенные вокруг полости, использовались для подачи управляющих сигналов для обработки и сохранения информации, хранящейся в памяти.

«Это устройство сочетает в себе три наиболее важных элемента квантового повторителя — длинную память, способность эффективно улавливать информацию от фотонов и способ ее локальной обработки», – сказал Барт Мачиелсе, студент GSAS в Лаборатории наноразмерной оптики. «Каждая из этих проблем была решена отдельно, но ни одно устройство не объединило все три».

«В настоящее время мы работаем над расширением этого исследования, используя наши квантовые воспоминания в реальных городских волоконно-оптических каналах связи», – сказал Ральф Ридингер (Ralf Riedinger), кандидат наук в группе Лукина. «Мы планируем создать большие сети запутанных квантовых воспоминаний и исследовать первые приложения квантового интернета».

«Это первая демонстрация на уровне системы, объединяющая основные достижения в области нанотехнологий, фотоники и квантового контроля, которая демонстрирует явное квантовое преимущество при передаче информации с использованием узлов квантового повторителя. Мы с нетерпением ждем начала исследования новых уникальных приложений, использующих эти методы», – сказал Лукин.

Соавторами исследования были Бхаскар, Ридингер, Мачиелсе, Дэвид Левонян, Кристиан Нгуен, Эрик Кналл, Пак, Энглунд, Лончар, Денис Сукачев и Лукин.