Rekordní kvantové provázání: Čínští vědci propojili kvantové paměti na 420 km optickým vláknem

Výsledky byly publikovány v prestižním časopise Physical Review Letters jako Editors' Suggestion a dříve zveřejněny na arXiv . Experiment představuje konkrétní krok od kvantových sítí metropolitního rozsahu směrem k reálnému propojení mezi městy.

Jak experiment fungoval

Systém se skládal ze dvou uzlů kvantové paměti, pojmenovaných Alice a Bob, a centrálního měřicího uzlu (Charlie) umístěného mezi nimi . Každý paměťový uzel tvořilo mračno atomů rubidia-87 ochlazených a zachycených lasery. K vytvoření provázání vědci použili dobře známý protokol Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . V tomto přístupu každá paměť pravděpodobnostně emituje jediný foton. Detekce tohoto fotonu v centrálním uzlu signalizuje, že se obě paměti staly provázanými.

K dosažení 420 km musel tým překonat tři hlavní překážky:

Převod vlnové délky. Rubidiové paměti přirozeně emitují fotony o vlnové délce kolem 780 nm, tedy v blízké infračervené oblasti. Ty by se na dlouhé vzdálenosti ve vlákně rychle absorbovaly. Tým proto každý foton převedl do telekomunikačního pásma (kolem 1550 nm) – stejné vlnové délky, jakou používá běžná optická komunikace – aby signál mohl putovat stovky kilometrů bez absorpce .

Aktivní stabilizace. Na 420 km dlouhém vlákně mohou teplotní změny, vibrace a další mechanické vlivy zničit fázový vztah potřebný pro interferenci jednotlivých fotonů. Tým nasadil stabilizační systém, který tyto výkyvy kontinuálně kompenzoval a zachovával koherenci v celé lince .

Jednofotonová interference. Klíčové měření, které vytváří provázání, probíhá v centrálním uzlu, kde interferují fotony z obou pamětí. Dosáhnout stabilní interference s jednotlivými fotony na tak velkou vzdálenost byl hlavní technický problém, který tým úspěšně vyřešil .

Překonání PLOB limitu

Snad nejvýznamnějším zjištěním je, že experiment překonal PLOB bound – teoretickou maximální rychlost, jakou lze provázání distribuovat přes ztrátový kanál bez kvantových opakovačů . Naměřená pravděpodobnost provázání paměť-paměť překročila tento limit na vzdálenostech nad přibližně 230 km a výhoda dále rostla s rostoucí délkou vlákna až do 420 km . Jak uvedla jedna zpráva, jedná se o první paměťovou demonstraci, která tuto fundamentální hranici překonala .

Tým také prokázal, že jejich paměťová metoda překonává přímou distribuci provázání po vlákně zhruba od 320 km . To je způsobeno tím, že pravděpodobnost úspěchu u paměťového přístupu roste s odmocninou z propustnosti kanálu, zatímco u přímého přenosu je lineární – tento fundamentální rozdíl dává pamětem výhodu na velké vzdálenosti .

Proč je to důležité pro kvantový internet

Posun z metropolitního na meziněstské měřítko. Dosavadní rekordy v provázání hmoty po vlákně se pohybovaly v rozmezí 50–100 km, tedy v rozsahu typické metropolitní oblasti . Na 420 km experiment překračuje do vzdáleností, které spojují města. Jak autoři píší: "Náš experiment poskytuje testovací základnu pro studium aplikací kvantových sítí přesahujících měřítko jednoho města" .

Validace paměťových kvantových sítí. Výsledek dokazuje, že kvantové paměti dokáží uchovávat a signalizovat provázání na praktických délkách vláken a zároveň překonávat limit bez opakovačů . To je nezbytný předpoklad pro budování škálovatelných kvantových opakovačů a v konečném důsledku plnohodnotného kvantového internetu .

Soulad se stávající telekomunikační infrastrukturou. Klíčové komponenty – převod vlnové délky do telekomunikačního pásma, aktivní stabilizace vlákna a paměti na studených atomech – jsou všechny kompatibilní se standardním optickým vybavením . To naznačuje realistickou cestu od dnešních sítí pro distribuci kvantových klíčů (QKD) k budoucímu kvantovému internetu s paměťmi schopnými distribuce provázání na dlouhé vzdálenosti.

Důležité výhrady

I když je technický úspěch nesporný, je důležité poznamenat, že se jedná o laboratorní demonstraci. Experiment používal navinuté vlákno v kontrolovaném prostředí, nikoli nasazení v terénu . Vlákno zahrnovalo krátký úsek vedoucí z univerzitní laboratoře do měřicího uzlu v Hefei Software Parku, ale většina vzdálenosti byla na cívkách . Nasazení v reálném provozu si vyžádá řešení dalších inženýrských problémů, včetně stability vlákna v terénu, integrace s přepínacím a směrovacím hardwarem a škálování na více propojených uzlů .