Ученые из Института фотонных наук в Испании разработали новые инновационные квантовые запоминающие устройства, которые способны сохранять полноценное запутанное состояние фотонов. Данная новая технология открывает возможности для создания надежной сети передачи квантовой информации. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Nature. Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения ряда задач значительно быстрее, чем классические компьютеры. Однако для полноценного функционирования необходима эффективная передача сигналов между квантовыми компьютерами. Существующие технологии сталкиваются с ограничениями при передаче квантовых сигналов на большие расстояния. В настоящее время инженеры используют метод передачи сигнала по множеству коротких участков с промежуточным сохранением в памяти. Исследователи из Испании продемонстрировали существенное улучшение данного метода с помощью квантовых “ячеек памяти”.
Новая технология позволяет сохранять сигналы примерно в 1000 раз дольше, чем в предыдущих экспериментах. Сигналы кодируются с использованием запутанных частиц, что демонстрирует одно из фундаментальных явлений квантовой механики.
Авторы поясняют в своей работе, что, хотя запутанность двух квантовых ячеек памяти уже демонстрировалась ранее, эту технологию до сих пор не получалось расширить до больших расстояний.
Сигнал, передающийся между квантовыми компьютерами, чаще всего представляет собой отдельные фотоны. Поэтому он склонен затухать и очень капризен по причинам, фундаментальным для квантовой физики. Его чрезвычайно трудно усилить, не нарушив, в отличие от тех же электрических сигналов.
В связи с этим, главная задача – научиться отправлять надёжные сигналы. Один из методов – разбить путь на части, от одной станции до другой, и на каждой станции сохранять и восстанавливать фотон.
Классические компьютеры тоже умеют сохранять и восстанавливать сигналы на различных сегментах сети, однако квантовым компьютерам, сигнал которых состоит из запутанных фотонов, делать это сложнее. Если восстановить запутанный фотон на одном конце кабеля, мы сразу узнаем о некоторых свойствах его двойника с другого конца – в этом и состоит запутанность. Квантовые компьютеры используют эту особенность для передачи информации.
К сожалению, из-за явления декогеренции акт измерения нарушает запутанность. Поэтому трюк квантовой связи заключается в том, чтобы передавать фотоны по цепочке, не нарушая запутанности, и при этом гарантировать их надёжную запутанность, не проводя непосредственных измерений.
В эксперименте использовался отрезок оптоволоконного кабеля с устройствами для запоминания квантовой информации с обоих концов. В качестве модуля памяти исследователи использовали особый кристалл. Когда в него попадает фотон, кристалл особым образом вибрирует, кодируя информацию о запутанности конкретного фотона (поляризацию и спин).
Исследователи показали, что при таком способе фотоны остаются запутанными даже по истечению достаточно длительного времени. Получается, что таким образом можно создавать узлы целой сети. А поскольку использовались фотоны с частотами, совпадающими со стандартами, применяемыми в телекоммуникационных сетях, исследователи считают, что их систему можно приспособить к уже существующим сетям и построить на этой основе квантовый интернет.
Автор: Вячеслав Голованов
Источник: https://habr.com/
