Исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC) перепутали две квантовые памяти на основе атомных ансамблей через 420 километров (260 миль) оптического волокна. Это первый случай, когда материальные квантовые памяти, способные хранить квантовые состояния, были перепутаны на таком расстоянии.
В отличие от предыдущих экспериментов, где перепутывались только одиночные фотоны, здесь были перепутаны материальные памяти, способные хранить квантовые состояния для последующих сетевых операций. Это приближает создание квантовых повторителей и широкомасштабных квантовых сетей.
Как устроен эксперимент
Каждая память представляла собой лазерно-охлаждённое облако атомов рубидия. Обе памяти находились в одной лаборатории, а путь передачи включал катушку оптоволокна и развёрнутый участок длиной 6,2 мили. Таким образом, эксперимент проверил оптический путь межгородского масштаба, а не устанавливал перепутывание между узлами, удалёнными на 260 миль друг от друга.
Прямая квантовая передача по оптоволокну становится экспоненциально менее успешной по мере увеличения расстояния и потерь сигнала. Квантовые памяти могут помочь преодолеть эту проблему, удерживая перепутывание, установленное на отдельных сегментах сети, пока создаются соединения на других сегментах. Эта возможность считается необходимой для квантовых повторителей и широкомасштабных квантовых сетей.
Исследователи использовали протокол Дуана — Лукина — Чирака — Цоллера, в котором фотоны, испускаемые двумя памятями, путешествуют к промежуточному узлу и интерферируют. Обнаружение фотона в промежуточном узле сигнализирует об установлении перепутывания между памятями.
Преодоление фундаментального предела
Вероятность перепутывания в эксперименте масштабировалась с квадратным корнем из коэффициента пропускания канала, в то время как прямая передача перепутанных фотонов масштабируется с самим коэффициентом пропускания. Исследователи сообщили о превышении предела Пирардолы — Лауренцы — Оттавиани — Банки (PLOB) при потерях, соответствующих расстоянию более примерно 132 миль в их установке.
Предел PLOB определяет максимальную скорость, с которой квантовая информация может распространяться через канал с потерями без квантовых повторителей. Его превышение демонстрирует, что методы на основе памяти могут превосходить прямую передачу по мере роста потерь.
Технические детали: преобразование длины волны и стабилизация фазы
Фотоны, испускаемые рубидиевыми памятями, естественно не находятся в низкопотерянном телекоммуникационном диапазоне. Команда преобразовала их в S-диапазон телекоммуникаций на длине волны 1522 нанометра, где потери в волокне составляли приблизительно 0,17 децибела на километр.
Однофотонная интерференция также требует, чтобы оптические пути поддерживали стабильную относительную фазу. Исследователи объединили непрерывную далёкую от резонанса блокировку для подавления быстрого шума с прерывистой двухдиапазонной блокировкой для коррекции медленного дрейфа.
Они подтвердили перепутывание на расстоянии 260 миль, сообщив о конкордансе 0,046 с неопределённостью 0,022. Конкорданс — это мера перепутывания, значение выше нуля указывает на то, что две памяти разделяли перепутанное состояние.
Перспективы и развитие
Исследователи заявили, что их подход к стабилизации фазы может быть адаптирован для узлов, разделённых сопоставимым географическим расстоянием. Они также предложили использовать методы блокады Ридберга для улучшения точности удалённого перепутывания.
Эта работа развивает достижения группы 2024 года, когда была создана трёхузловая городская сеть, генерировавшая перепутывание между атомными квантовыми памятями, разделёнными расстоянием до 7,7 мили. Потенциальные применения перепутывания памяти на больших расстояниях включают квантовую связь, распределённые квантовые вычисления и сетевые сенсоры.
В более широком контексте, развитие квантовых сетей идёт параллельно с оптимизацией классических сетей с помощью квантовых технологий: например, AT&T расширяет партнёрство с D-Wave для ускорения расчётов сети. Пока квантовые сети остаются лабораторной технологией, классическая оптика продолжает развиваться, например, Zayo строит выделенные «ИИ-коридоры» для дата-центров.
Частые вопросы
Что такое квантовая память?
Квантовая память — это устройство, способное хранить квантовое состояние (например, состояние фотона) в течение некоторого времени. В данном эксперименте в качестве памяти использовалось лазерно-охлаждённое облако атомов рубидия.
Что такое предел PLOB?
Предел PLOB (Пирардола-Лауренца-Оттавиани-Банки) — это фундаментальный предел скорости, с которой квантовая информация может передаваться через канал с потерями без использования квантовых повторителей. Превышение этого предела демонстрирует преимущество методов на основе квантовой памяти.
Почему использовалось расстояние 420 км, если оба узла были в одной лаборатории?
Исследователи использовали катушку оптоволокна длиной 420 км и развёрнутый участок 6,2 мили, чтобы смоделировать реальный оптический путь межгородского масштаба. Это позволяет проверить технологию в условиях, приближенных к реальным, без необходимости строить линию между городами.
Что такое конкорданс?
Конкорданс — это численная мера степени перепутывания двух квантовых систем. Значение выше нуля указывает на наличие перепутывания; значение 1 означает максимальное перепутывание.
Какие применения возможны у этой технологии?
Потенциальные применения включают квантовую связь, распределённые квантовые вычисления и сетевые сенсоры. В перспективе это может привести к созданию квантового интернета.
Когда технология станет коммерчески доступной?
Статья не содержит прогнозов о коммерциализации. В настоящее время это фундаментальное исследование, демонстрирующее возможность перепутывания квантовых памятей на больших расстояниях.
Чем этот эксперимент отличается от предыдущих?
В отличие от экспериментов с перепутыванием только фотонов, здесь перепутывались материальные памяти, способные хранить квантовые состояния. Это важный шаг к созданию квантовых повторителей, которые позволят строить сети произвольной протяжённости.
Источник: sdxcentral.com