Мечтать о квантовом интернете, который сможет передавать защищённую от хакеров информацию по всему миру с помощью фотонов, суперпозированных в различных квантовых состояниях, одно дело. Совсем другое — продемонстрировать, что это возможно физически. Именно это сделали физики, использовав существующую телекоммуникационную инфраструктуру в районе Бостона, чтобы продемонстрировать самое длинное волоконно-оптическое расстояние между двумя узлами квантовой памяти на сегодняшний день.
Достижение Гарвардских физиков
- Гарвардские физики, используя существующие телекоммуникационные волоконные сети в районе Бостона, продемонстрировали самое длинное расстояние передачи сигнала между двумя узлами квантовой памяти. Это можно представить как простой, замкнутый интернет между точками A и B, который передаёт сигнал, закодированный не классическими битами, как существующий интернет, а совершенно безопасными, отдельными частицами света.
Уникальное исследование
- Эта прорывная работа, опубликованная в журнале Nature, была проведена под руководством Михаила Лукина, профессора физики Гарварда, в сотрудничестве с профессорами Марко Лончаром и Хонгкуном Парком, которые все являются членами Гарвардской квантовой инициативы, а также исследователями из Amazon Web Services.
Создание первой квантовой сети
- Гарвардская команда установила практическую основу для первого квантового интернета, запутав два узла квантовой памяти, разделённых оптическим волоконным каналом, проложенным по кольцу длиной около 35 километров через Кембридж, Сомервилл, Вотертаун и Бостон. Эти два узла находились на разных этажах в Лаборатории интегрированных наук и инженерии Гарварда.
Квантовая память
- Квантовая память, аналогичная классической компьютерной памяти, является важным компонентом будущего квантовых вычислений, поскольку она позволяет выполнять сложные сетевые операции, хранить и извлекать информацию. Хотя и другие квантовые сети были созданы ранее, сеть Гарвардской команды является самой длинной из тех, что могут хранить, обрабатывать и передавать информацию.
Устройство узла
- Каждый узел представляет собой очень маленький квантовый компьютер, состоящий из кусочка алмаза с дефектом в атомной структуре, называемым кремниево-вакансионным центром. Внутри алмаза, структуры, размером меньше сотой части ширины человеческого волоса, усиливают взаимодействие между кремниево-вакансионным центром и светом.
Технология и результаты
- Кремниево-вакансионный центр содержит два кубита: один в виде спина электрона для связи, а другой в виде долгоживущего спина ядра для хранения запутанности. Оба спина полностью контролируются микроволновыми импульсами. Эти алмазные устройства, размером всего в несколько миллиметров, помещаются в криостатные установки, достигающие температур -459 градусов по Фаренгейту.
Преодоление проблем
- Использование кремниево-вакансионных центров в качестве устройств квантовой памяти для одиночных фотонов стало многолетней исследовательской программой в Гарварде. Эта технология решает главную проблему в теоретическом квантовом интернете: потери сигнала, которые невозможно усилить традиционными способами. Квантовая сеть не может использовать стандартные усилители сигнала, так как копирование произвольной квантовой информации невозможно — это делает информацию безопасной, но также очень сложной для транспортировки на большие расстояния.
Важность исследования
- "Показать, что узлы квантовой сети могут быть запутаны в реальной среде очень загруженного городского района, — это важный шаг к практическому сетевому взаимодействию между квантовыми компьютерами", — сказал Михаил Лукин.
Заключение
Сеть из двух узлов — это только начало. Исследователи усердно работают над расширением возможностей своей сети, добавляя новые узлы и экспериментируя с различными сетевыми протоколами. Создание квантового интернета, способного передавать совершенно безопасную информацию, становится всё более реальной задачей, и шаги, предпринятые Гарвардской командой, являются важным вкладом в это будущее.
