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 на сегодняшний день 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, проведённое в Имперском колледже Лондона, Университете Саутгемптона и университетах Штутгарта и Вюрцбурга в Германии, утверждает, что этого впервые удалось достичь с использованием стандартных оптоволоконных кабелей. Результаты были опубликованы 12 апреля в журнале Scientific Advances.
Всё 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 (эмиттерах), — рассказала Live Science Сара Томас (Sarah Thomas), 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 можно спроектировать источник и память, чтобы они совпадали. Мы использовали особый одиночный эмиттер, называемый квантовой точкой, который представляет собой нанокристалл полупроводников.»
Томас отметила, что использование нелинейной оптики менее надёжно: пара пригодных для использования фотонов генерируется не каждый раз, в то время как квантовая точка с одним излучателем генерирует 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, этот пробел устранило.
«Мы сделали это, используя широкополосную и малошумящую квантовую память, изготовив источник фотонов с очень специфической длиной волны, соответствующей нашей квантовой памяти, — сказала Томас. — Мы также смогли сделать это на длине волны, где потери в оптическом волокне минимальны, что станет ключевым моментом в будущем для построения квантовых сетей.»
Опираясь на прошлую работу
Однако это не единственное недавнее достижение в области квантовых вычислений и квантового Интернета. В феврале сайт Live Science рассказал о связанном с этим 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 их доступными для реального использования.
Данное же исследование развивает этот успех благодаря совмещению длин волн передатчика и приёмника.
«В исследовании Стоуни-Брук использовались фотоны с длиной волны 795 нм (нанометры) и было показано взаимодействие двух фотонов после хранения и извлечения, — рассказал Live Science Марк Саффман (Mark Saffman), главный научный сотрудник по квантовой информации компании Infleqtion, производящей квантовые продукты. — В исследовании же Имперского колледжа Лондона использовался фотон с длиной волны 1529 нм (это стандартная длина волны телекоммуникаций), он сохранялся и извлекался, но не выявил помех. Хранение и извлечение длины волны телекоммуникаций важно для передачи по оптоволокну с низкими потерями. Оба исследования продвигают вперёд различные аспекты того, что необходимо для квантовой сети.»
Майкл Хассе (Michael Hasse), эксперт по кибербезопасности (одна из областей, где квантовые сети будут иметь наибольшее влияние), рассказал, что исследование Имперского колледжа Лондона описывает метод, тогда как более раннее исследование описывает механизм, необходимый для работы этого метода.
«Работа Имперского колледжа Лондона направлена на создание средств установления дальней связи с использованием ретрансляторов, — сказал он. — Квантовая запутанность теоретически позволяет коммуникациям находиться далеко друг от друга, но на самом деле это легче, когда они ближе друг к другу. Исследование Стоуни-Брук касается хранения квантовой информации при комнатной температуре, что необходимо для экономически эффективной реализации ретрансляторов.»
