Связь на основе запутанных фотонов становится ближе к реальности

Ученые создали «исключительно яркий» источник света, способный генерировать квантово-запутанные фотоны, которые можно будет использовать для безопасной передачи данных в будущей высокоскоростной квантовой сети связи.

Будущий квантовый интернет мог бы передавать информацию с помощью пар запутанных фотонов — то есть частицы обмениваются информацией во времени и пространстве независимо от расстояния. Основываясь на законах квантовой механики, информация, закодированная в этих запутанных фотонах, может передаваться с огромной скоростью, в то время как их «квантовая когерентность» — состояние, в котором частицы запутаны — гарантирует, что данные не могут быть перехвачены.

Но одной из ключевых проблем в построении квантового интернета было то, что «сила» этих фотонов может ослабевать по мере их перемещения; источники света не были достаточно яркими. Чтобы построить успешный квантовый интернет, который может передавать данные на огромные расстояния, фотоны должны быть достаточно сильными, чтобы предотвратить «декогеренцию» — когда запутанность теряется и содержащаяся в них информация исчезает.

Теперь в исследовании, опубликованном в журнале eLight, ученые представили новый тип источника квантового сигнала, используя существующие технологии, который обеспечивает чрезвычайно высокую яркость.

Им удалось достичь этого, объединив излучатель фотонных точек (генератор одиночных фотонов или частиц света) с квантовым резонатором (устройством для усиления квантовой сигнатуры) для создания нового мощного сигнала.

Что делает недавнее исследование особенно интересным, так это то, что ранее отдельные технологии были независимо проверены в лабораториях, но они были протестированы только по отдельности. Это исследование является первым случаем, когда они использовались вместе.

Ученые объединили фотонный точечный излучатель с круговым брэгговским резонатором (отражателем, используемым для направления электромагнитных волн) на пьезоэлектрическом приводе (устройстве, которое генерирует электричество при воздействии тепла или напряжения). Вместе они создали усовершенствованную форму фотонного излучателя, которая может точно настраивать излучаемые фотоны для максимальной поляризованной запутанности. Это контролировалось с помощью пьезоэлектрического привода.

Пары фотонов, генерируемые устройством, имели высокую точность запутывания и эффективность извлечения — это означает, что каждый фотон достаточно ярок, чтобы быть полезным, и хорошо сохраняет свою «квантовую сигнатуру» (полезное квантовое свойство). Раньше было трудно одновременно достичь как полезного уровня яркости, так и высокой точности запутывания, поскольку каждый аспект требовал отдельной технологии, и их было трудно объединить масштабируемым образом.

Это значительный шаг вперед в развитии практических квантовых технологий, демонстрирующий, как их можно объединить для создания более мощного и эффективного источника света.

К сожалению, не следует ожидать квантового интернета в ближайшее время, поскольку различные технологии остаются на экспериментальной и опытно-конструкторской стадии. Для изготовления фотонного излучателя, использованного в исследовании, было необходимо токсичное сырье, включая мышьяк, который требовал специального обращения.

Существуют также проблемы безопасности, связанные с использованием арсенида галлия, из которого был изготовлен фотонный точечный излучатель. Fisher Scientific, поставщик лабораторного оборудования и химикатов для научных исследований, считает арсенид галлия опасным по нескольким причинам, включая его канцерогенные свойства.

Проблемы безопасности, связанные с использованием этих материалов, могут ограничить масштабируемость изложенной методологии. Поэтому может потребоваться идентификация жизнеспособных альтернативных материалов для генерации ярких, запутанных фотонов для будущей квантовой коммуникационной сети.

Следующим этапом процесса разработки станет интеграция диодообразной структуры в пьезоэлектрический актуатор. Это позволит генерировать электрическое поле через квантовые точки, чтобы противодействовать декогеренции и, следовательно, повысить степень запутанности.

Ученые утверждают, что, хотя для разработки квантового интернета предстоит сделать еще много шагов, успешное сочетание излучателя фотонов и резонатора для получения фотонов с высокой яркостью и запутанностью все равно является значительным шагом вперед.

Ранее эксперимент, проведенный исследователями из Ганноверского университета имени Лейбница в Германии, показал, как квантовая информация и классические единицы и нули обычных данных могут передаваться по одному и тому же оптоволокну.