Новое исследование квантовых вычислений утверждает, что недавние открытия в области производства, хранения и извлечения «квантовых данных» приблизили нас на один шаг к квантовому Интернету.
В настоящее время квантовая информация нестабильна на больших расстояниях, а квантовые биты или кубиты — носители квантовой информации — легко теряются или фрагментируются при передаче.
Классические компьютерные биты сегодня передаются в виде световых импульсов по оптоволоконным кабелям с использованием устройств, называемых «повторителями», для усиления сигналов по всей длине сети. Чтобы передавать кубиты на большие расстояния так же, как сегодня передаются классические компьютерные биты, нам нужны аналогичные устройства, которые могут хранить и ретранслировать квантовые состояния по всей сети, обеспечивая точность сигнала независимо от того, как далеко должны передаваться данные.
Эти устройства квантовой памяти могут получать, хранить и ретранслировать состояния кубитов. Новое исследование, проведенное в Имперском колледже Лондона, Университете Саутгемптона и университетах Штутгарта и Вюрцбурга в Германии, утверждает, что впервые удалось достичь этого с использованием стандартных оптоволоконных кабелей. Результаты были опубликованы 12 апреля в журнале Scientific Advances.
Все в источнике фотонов
Исследователи хранили и извлекали фотоны — одни из потенциальных носителей квантовой информации — используя новый и потенциально гораздо более эффективный метод.
«Существует два основных типа источников одиночных фотонов: процесс, называемый нелинейным оптическим преобразованием частоты, и источники, основанные на одиночных излучателях», — рассказала Сара Томас, профессор физики Имперского колледжа в Лондоне. «Раньше уже много раз было продемонстрировано, что мы можем хранить фотоны из нелинейной оптики в квантовой памяти, потому что вы можете спроектировать источник и память, чтобы они совпадали. Мы использовали особый одиночный эмиттер, называемый квантовой точкой, который представляет собой нанокристалл полупроводников».
Сара говорит, что использование нелинейной оптики менее надежно: пара пригодных для использования фотонов не создается каждый раз, тогда как квантовая точка с одним эмиттером производит их с большей скоростью.
Следующая проблема заключается в том, что эффективность интерфейса между устройствами квантовой памяти зависит от совпадения длины волны и пропускной способности. Расхождения здесь делают хранение и извлечение данных слишком неэффективными, но исследование, наконец, устранило этот пробел.
«Мы сделали это, используя широкополосную и квантовую память с малыми помехами, изготовив источник фотонов с очень специфической длиной волны, соответствующей нашей квантовой памяти». «Мы также смогли сделать это на длине волны, где потери в оптическом волокне минимальны, что станет ключевым моментом в будущем для построения квантовых сетей» - Сара Томас.
Опираясь на прошлое
Но это не единственное недавнее достижение в области квантовых вычислений и квантового Интернета. В феврале ученые сообщили о прорыве в Университете Стоуни-Брук.
Модели квантовых сетей более стабильны при экстремально низких температурах, что ограничивает их реальное применение, но исследование показало стабильное соединение при комнатной температуре, что делает его доступным для реального использования.
Исследование Imperial развивает этот успех благодаря совмещению длин волн передатчика и приемника.
«В исследовании Стоуни-Брук использовались фотоны с длиной волны 795 нм [нанометры] и было показано взаимодействие двух фотонов после хранения и извлечения», — рассказал Марк Саффман, главный научный сотрудник по квантовой информации компании Infleqtion, производящей квантовые продукты. «Это исследование использовало фотон с длиной волны 1529 нм (это стандартная длина волны телекоммуникаций), сохраняло и извлекало его, но не выявило помех. Хранение и извлечение длины волны телекоммуникаций важно для передачи по оптоволокну с низкими потерями. Оба исследования продвигают вперед различные аспекты того, что необходимо для квантовой сети».
Майкл Хассе, эксперт по кибербезопасности (одна из областей, где квантовые сети будут иметь наибольшее влияние), рассказал, что исследование Imperial описывает метод, тогда как более раннее исследование описывает механизм, необходимый для работы этого метода.
«Эта работа направлена на создание средств установления дальней связи с помощью ретрансляторов», — сказал он. «Квантовая запутанность теоретически позволяет коммуникациям находиться далеко друг от друга, но на самом деле легче, когда они ближе друг к другу. Исследование Стоуни-Брука касается хранения квантовой информации при комнатной температуре, что необходимо для экономически эффективной реализации ретрансляторов. "