Ученые уже несколько десятилетий бьются над созданием квантовых вычислительных систем, но прогресс пока незначительный. Несмотря на то, что аппаратное обеспечение стало гораздо производительным, все еще не преодолены фундаментальные проблемы с обработкой и доступом к данным в квантовых системах. Тем не менее, согласно новому исследованию, проведенному в Имперском колледже Лондона, ученые приблизились к разгадке квантовых вычислений. Впервые исследователям удалось передать квантовые данные между двумя машинами и считать выходные данные. По сути, это первый шаг к созданию сверхбезопасного и сверхбыстрого квантового интернета.
В основе квантовых вычислений лежит использование свойств физическое материи на атомарном уровне. Именно здесь проявляются парадоксальные квантовые феномены, как суперпозиция и запутанность, которые, по мнению ученых, могут стать ключом к созданию сверхбыстрых и абсолютно безопасных вычислений. Однако квантовые системы необходимо тщательно защищать от внешних помех, которые могут вызвать серьезные сбои. Именно поэтому передача квантовой информации на протяжении многих лет оставалась одной из главных проблем, с которой сталкивались исследователи.
В современных системах связи используются ретрансляторы для усиления сигналов, которые обеспечивают их бесперебойную доставку получателю. Для этого необходимо специальное оборудование для хранения и, что самое главное, точного считывания информации. Работа с квантовой информацией, кодируемой фотонами света, сопряжена со значительно большими сложностями. Каждая попытка считать информацию из квантовой системы приводит к ее уничтожению, что и делает квантовые данные потенциально столь безопасными. Используя стандартный оптоволоконный кабель, команда ученых под руководством доктора Сары Томас и Лукаса Вагнера реализовала новый вид «квантовой памяти», которая может поглощать и сохранять квантовое состояние света для последующего извлечения.
Согласно новому исследованию, инновационная система основана на генерации фотонов с использованием полупроводниковых квантовых точек. Однако интеграция этой системы с новой квантовой памятью оказалась непростой задачей для исследователей. Данная память, известная как ORCA (Off-Resonant Cascaded Absorption), использует облако атомов рубидия для хранения квантовой информации. Фотоны, создаваемые квантовыми точками, не имеют необходимой длины волны, чтобы легко поглощаться атомами, поэтому исследователям пришлось внести несколько корректировок, которые позволили совершить этот прорыв.
Система квантовых точек, разработанная исследователями Имперского колледжа Лондона.
Для начала они настроили архитектуру квантовых точек так, чтобы она излучала свет на длине волны 1529,3 нм, совместимой со стандартными волоконно-оптическими телекоммуникационными линиями. Затем они разработали серию фильтров и модуляторов для регулировки длины волны испускаемых фотонов до тех пор, пока они не смогут взаимодействовать с атомной квантовой памятью. Включение и выключение памяти осуществлялось с помощью лазера, который менял свойства поглощения атомов рубидия. "Успешная интеграция двух основополагающих компонентов является колоссальным достижением на пути к созданию квантовых сетей передачи данных. Мы испытываем огромную гордость, будучи первопроходцами, которым удалось воплотить эту концепцию на практике", - заявила ведущий научный сотрудник, доктор Сара Томас.
Достигнутый результат является бесспорным прорывом, однако данная система пока далека от идеала и практического применения в масштабах глобальной сети. Ученым удалось сохранить фотонные состояния в атомной памяти с эффективностью 12,9%, а затем успешно считать их. При этом извлеченные фотоны сохранили свои исходные квантовые состояния. Это открывает возможности для хранения и восстановления квантовой информации без ее разрушения. На пути к повседневному использованию квантовых вычислений предстоит решить множество задач. Однако достигнутый результат является значительным шагом в этом направлении.
