Исследователи из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Саарского университета продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных волоконным кабелем длиной более 30 км. Это рекордное расстояние для такого рода связи и знаменует прорыв к быстрому и безопасному квантовому интернету.
Квантовая запутанность — явление, при котором две частицы могут стать неразрывно связанными настолько, что изучение одной может дать данные о состоянии другой. Еще более странно, что изменение параметров в одной частице мгновенно изменит ее партнера, независимо от того, как далеко находятся они друг от друга. Это приводит к шокирующему выводу о том, что информация «телепортируется» быстрее скорости света — идея, которая была слишком велика даже для Эйнштейна.
Несмотря на кажущуюся невозможность, квантовая запутанность постоянно подтверждалась в экспериментах на протяжении десятилетий — ученые использовали ее причудливую природу для быстрой передачи данных на большие расстояния. А в новом эксперименте исследователи побили рекорд расстояния для квантовой запутанности.
Для будущих сценариев квантовой связи жизненно важно, чтобы узлы связи, использующие долгоживущую квантовую память обеспечивали четко определенный сигнал. До сих пор это ограничивалось длиной волокна 1,7 км. Но недавно команда ученых добилась большого прогресса. В экспериментах были взяты радиоактивные изотопы рубидия-87, которые помещались в оптические дипольные ловушки в двух разных узлах зданий, отстоящих друг от друга на 400 м. Расстояние искусственно наращивалось оптоволоконным кабелем до 32,4 км за счет последовательно соединенных 700-метровых бобин.
Эксперимент начинался с запутывания спинового состояния атома с поляризацией фотона в каждом узле. Оба атома синхронно возбуждались (накачивались) лазерным импульсом, после чего они спонтанно возвращаются в свое основное состояние, испуская каждый по фотону. Из-за сохранения углового момента спин атома был связан с поляризацией излучаемого им фотона. Таким образом создавалась запутанность свет-материя или атомно-фотонная запутанность. Далее одиночные фотоны, излучаемые на длине волны 780 нм с помощью объективов собирались и передавались по одномодовым волокнам к квантовым преобразователям частоты. Там в волноводе из ниобата лития они преобразовывались в уже телекоммуникационную длину волны 1517 нм, причем сохранением поляризационно-квантового состояния фотона.
После преобразованные фотоны направлялись на промежуточную станцию по оптоволоконным каналам длиной 16,5 км, где выполнялось измерение состояния Белла с тем, чтобы передать запутанность атомам. Затем атомы анализировались, с учетом задержки, соответствующей времени двусторонней связи со станцией.
Ключевым моментом серии экспериментов являлось то, что промежуточные фотоны были преобразованы — их длина волны была увеличена с тем, чтобы они могли передаваться по оптоволокну с меньшим затуханием. Напомним, что их естественная длина волны составляла 780 нм, а это означает, что они обычно теряются через несколько километров, поскольку 10-кратное затухание происходит уже на расстоянии в 2,5 км. Поэтому прежде, чем путешествие фотонов началось, команда прогнала их через преобразователь и увеличила длину волны до 1517 нм, что близко к 1550 нм — телекоммуникационному S-диапазону, обычно используемому для передачи данных по стандартному оптоволокну, о чем мы говорили чуть выше. В этом диапазоне передача света в оптических волокнах имеет наименьшие потери — преобразование частоты с сохранением поляризации, происходит с теми же десятикратными потерями, что на исходной длине волны, но на дистанции 50 км. Команда справилась с преобразованием с беспрецедентной эффективностью в 57%.
Исследование знаменует собой новый рекорд расстояния для запутывания двух атомов, которые могут функционировать, как узлы квантовой памяти при передаче данных по оптоволокну. Результаты ясно указывают на возможность перехода к крупномасштабным квантовым сетям и увеличению расстояния между узлами до десятков километров за счет использования эффективных квантовых преобразователей частоты.
Команда говорит, что это важный шаг на пути к реализации практического квантового интернета. Такие коммуникационные сети будут намного быстрее и безопаснее (защита от атак на физическом уровне), чем нынешние, и к тому же новые сети могут работать на базе существующей волоконно-оптической инфраструктуры. Исследование также может быть связано и со спутниковыми технологиями, которые ранее демонстрировали способность излучать и передавать запутанные фотоны на тысячи километров.
Источники:
Материал подготовлен дата-центром и веб-студией ITSOFT