Шаг к глобальному квантовому интернету: китайцы сшили две сети через белловские измерения

Учёные по всему миру строят основу для глобального квантового интернета — сети, в которой любые два пользователя на Земле смогут безопасно обмениваться данными и совместно выполнять вычисления благодаря квантовой запутанности. До реальности ещё далеко, но исследователи из Шанхайского транспортного университета сделали заметный шаг: им удалось «сшить» две независимые сети в одну. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.

Главная сложность на этом пути — взаимная совместимость сетей. В классовом интернете объединять инфраструктуры сравнительно просто, а вот квантовые сети куда капризнее: запутанные состояния легко разрушаются, а масштабирование быстро упирается в сложность схем. Полностью связанные сети уже демонстрировались, в том числе на основе плотного спектрального мультиплексирования (DWDM), но такие системы плохо растут и тяжело управляются. Кроме того, соединять много пользователей между разными сегментами сети — отдельная, до сих пор нерешённая задача.

Авторы новой работы объединили две независимые сети и получили общую систему с 18 активными пользователями, которые могут обмениваться ключами по протоколам, основанным на запутанности. По сложности это на сегодня рекордная много пользовательская квантовая сеть.

Ключ к объединению — «много пользовательская перекидка запутанности» (entanglement swapping). Изначально было два кластера по десять узлов, внутри каждого — уже подготовленные пары запутанных фотонов. Затем исследователи выбрали по одному узлу из каждой сети и провели между ними белловские измерения — специальную процедуру, которая «перепрошивает» корреляции так, что остальные узлы оказываются связаны уже через границу сетей. Два «стыкующих» узла при этом выбывают из игры, поэтому из двадцати исходных остаётся восемнадцать рабочих.

Чтобы обойти ограничения классического DWDM, команда применилa активное временное и спектральное мультиплексирование (ATWM). Качество запутанности проверяли по видимости двухфотонной интерференции и по метрике «достоверность» (fidelity). Результаты вышли высокими: достоверность — свыше 84%, видимость — более 75% и максимумом до 90,7% (для сравнения: классические системы ограничены примерно 50%).

При всём прогрессе масштабирование таких сетей упирается в следующий технический барьер — квантовые ретрансляторы. Они нужны, чтобы передавать состояние на большие расстояния без потери «хрупких» фотонов и сшивать ещё более протяжённые сегменты. Как признают авторы, главная нерешённая задача здесь — надёжно устанавливать запутанность между удалёнными узлами с квантовой памятью: достижения есть, но для практических межгородских и тем более межрегиональных сетей возможностей текущих технологий пока недостаточно.

Тем не менее исследователи настроены оптимистично: предложенный подход показывает, что запутанность можно эффективно устанавливать между удалёнными узлами в разных сетях. Это открывает дорогу к более гибким «перекрёсткам» квантовой информации и приближает создание крупномасштабных межгородских квантовых коммуникаций.