Квантовый рекорд в оптоволокне: китайские физики соединили атомные облака на расстоянии 420 километров

Китайские физики под руководством Си-Ю Ло из Хэфэйского университета науки и технологий совершили прорыв в создании квантового интернета. Им удалось связать две квантовые ячейки памяти на рекордном расстоянии в 420 километров с помощью обычного оптоволокна, что более чем в четыре раза превосходит предыдущее достижение. Результаты этого эксперимента, открывающего путь к сверхзащищенным коммуникациям на больших расстояниях, были опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.

Сегодняшний интернет работает на световых импульсах, которые бегут по оптоволоконным нитям, но у этой технологии есть фундаментальный предел: чем дальше сигнал, тем больше фотонов рассеивается и поглощается, и на дистанциях свыше четырехсот километров квантовая информация одиночных частиц почти гарантированно теряется. Чтобы обойти это ограничение, исследователи обратились к странным законам квантовой механики, где частицы могут быть связаны невидимой связью независимо от разделяющего их расстояния. Однако напрямую отправить такие «запутанные» фотоны на сотни километров невозможно из-за потерь в волокне, поэтому ученые применили хитрую уловку.

Вместо того чтобы гонять «хрупкие» фотоны туда-сюда, они создали две удаленные станции, в каждой из которых находится облако предельно охлажденных атомов. Эти облака по команде испускают по одному фотону, который как бы «помнит» состояние своего родительского облака.

Только одному фотону из каждой пары предстоит долгий путь навстречу друг другу в среднюю точку, где они встречаются и интерферируют. Если эта встреча происходит правильно, это служит надежным доказательством того, что два атомных облака, никогда не соприкасавшихся физически, теперь стали запутанными. Таким образом, тяжелая и сложная часть работы выполняется не фотонами-путешественниками, а массивными атомными системами на концах линии.

Главной технической проблемой стало сохранение квантовой «памяти» облаков на протяжении всего времени, пока их фотоны летят навстречу друг другу. Чтобы свет не затухал слишком быстро, ученые перевели фотоны в специальный телекоммуникационный диапазон, для которого оптоволокно наиболее прозрачно.

Но даже это не решало проблему вибраций и температурных колебаний, которые могут сместить фазу света и разрушить квантовую связь. Для борьбы с этими помехами команда разработала двойную систему стабилизации: один контур работал непрерывно, подавляя высокочастотные дрожания, а второй включался периодически, чтобы компенсировать медленные температурные дрейфы. Это позволило достичь ювелирной точности синхронизации, необходимой для того, чтобы два фотона, прибывшие из разных концов страны, правильно «узнали» друг друга.

В результате эксперимента запутанность между двумя облаками была подтверждена на дистанции, которая в полтора раза превышает теоретический предел для прямой передачи запутанности без использования промежуточных узлов памяти.

Иными словами, если бы они просто посылали фотоны напрямую, на таком расстоянии сигнал бы гарантированно затух, но их хитроумная схема с атомными «ретрансляторами» сработала. Это не просто новый рекорд, а принципиальное доказательство того, что квантовые сети будущего должны строиться именно по такому принципу, с распределенными ячейками памяти, а не с попытками протянуть одиночную квантовую нить через всю страну.

В итоге работа китайской группы впервые экспериментально показала, что квантовые сети с распределенными узлами памяти способны преодолевать фундаментальные ограничения оптоволокна, открывая реалистичную перспективу создания защищенных от взлома коммуникаций между целыми городами и даже странами. Это важнейший шаг от лабораторных опытов к практической инфраструктуре, которая в будущем позволит соединять квантовые компьютеры в единую сеть с беспрецедентной вычислительной мощью и конфиденциальностью передачи данных.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях