Два узла и алмазные кубиты: Гарвард выводит формулу квантового интернета

Концепция квантового интернета, позволяющего обмениваться данными в абсолютной секретности при помощи запутанных фотонов, долгое время оставалась лишь мечтой. Недавно физики из Гарварда продемонстрировали технологию , которая может на несколько шагов приблизить науку к заветному прорыву.

Используя существующую телекоммуникационную оптоволоконную инфраструктуру в районе Бостона, они установили рекорд максимального расстояния между двумя узлами квантовой памяти, связанными волоконно-оптической линией. Иными словами, ученые создали простейший «закрытый интернет» между двумя точками, передающий сигнал не классическим способом, а при помощи отдельных частиц света в особом запутанном квантовом состоянии.

Работа под названием «Запутывание нанофотонных узлов квантовой памяти в телекоммуникационной сети» была опубликована в авторитетном научном журнале Nature. Исследование возглавил Михаил Лукин, профессор физики Гарвардского университета, в тесном сотрудничестве с коллегами-профессорами Марко Лончаром, Хонгкуном Парком из Гарвардской квантовой инициативы, а также учеными из Amazon Web Services.

Можно сказать, что ученые создали прототип первого квантового интернета, запутав два квантовых узла памяти на расстоянии около 35 км друг от друга. Соединяющее их оптоволоконное кольцо протянуто по территории Кембриджа, Сомервилля, Уотертауна и Бостона. Оба узла были размещены на расстоянии всего одного этажа друг от друга в Лаборатории интегрированных наук и инженерии Гарвардского университета.

Квантовая память, аналогичная обычной компьютерной памяти, является важнейшим компонентом для будущих взаимосвязанных квантовых вычислительных систем. Она позволяет выполнять сложные сетевые операции, а также хранить и извлекать информацию. Хотя прототипы квантовых сетей уже создавались ранее, данная разработка стала первой действующей волоконно-оптической сетью между устройствами, способными запоминать, обрабатывать и передавать данные.

Каждый узел представляет собой крошечный квантовый компьютер размером с кусочек алмаза, имеющий дефект в атомной структуре под названием «кремний-вакансионный центр». Внутри алмаза вырезаны микроструктуры шириной менее сотой доли человеческого волоса, усиливающие взаимодействие кремниевого центра со светом.

Кремний-вакансионный центр содержит два кубита квантовой информации. Первый — в форме электронного спина для передачи данных. Второй — в виде более стабильного ядерного спина, выступающего в роли кубита памяти для поддержания «запутанности». Это особое квантово-механическое свойство позволяет информации находиться в идеальной корреляции на любом расстоянии.

Оба спиновых состояния полностью управляются при помощи микроволновых импульсов. Сами алмазные устройства площадью всего в несколько квадратных миллиметров охлаждаются почти до абсолютного нуля (около -459°F или -273°C) в специальных криогенных установках.

Использование кремний-вакансионных центров в качестве узлов квантовой памяти для одиночных фотонов является многолетней исследовательской программой ученых Гарварда. Данная технология в перспективе позволит устранить главный недостаток квантового интернета — проблему потери сигнала, которую невозможно компенсировать традиционными методами.

В обычном интернете для усиления сигнала применяются оптические повторители. Однако в квантовой сети невозможно просто скопировать запутанную информацию из-за ее фундаментальных свойств. Именно невозможность копирования делает коммуникацию абсолютно защищенной, но в то же время крайне затрудняет ее на больших расстояниях.

Узлы квантовой сети на базе кремний-вакансионных центров способны улавливать, сохранять и создавать запутанное состояние для порций квантовой информации — кубитов, одновременно компенсируя потери сигнала. После охлаждения узлов практически до абсолютного нуля, свет, попадающий в первый узел, по своей природе переходит в запутанное состояние с атомной структурой этого узла.

«Поскольку свет уже запутан с первым узлом, он может передать эту запутанность второму узлу, — поясняет стажер-исследователь Кэн Кнаут из лаборатории профессора Лукина. — Мы называем этот процесс «фотон-опосредованной запутанностью».

На протяжении последних нескольких лет исследователи арендовали оптоволокно у одной из бостонских компаний для проведения своих экспериментов. Они интегрировали демонстрационную квантовую сеть поверх существующей инфраструктуры, доказав возможность построения полномасштабного квантового интернета с применением обычных линий связи.

Двухузловая сеть — лишь начало. Исследователи продолжают упорную работу по наращиванию возможностей своей сети, добавляя новые узлы и экспериментируя с новыми сетевыми протоколами.