Квантовая запутанность на рекордные 420 километров: прорыв китайских учёных

Как ставили эксперимент

• Два атомных ансамбля рубидия, охлаждённые лазерами до сверхнизких температур, служили квантовой памятью. Их назвали Алиса и Боб .
• Они были соединены оптоволокном длиной 420 км .
• Третий узел — Чарли — находился между ними. Он выполнял измерения Белла над фотонами, приходящими от Алисы и Боба, чтобы подтвердить момент возникновения запутанности .
• Учёные применили схему однофотонной запутанности DLCZ (по фамилиям создателей — Дуань, Лукин, Цирак, Цоллер). В этой схеме запутанность возникает вероятностным образом при регистрации всего одного фотона от каждого узла памяти, что кардинально повышает скорость процесса на больших дистанциях .

Три секрета успеха

Чтобы преодолеть потери в 420-километровом оптоволокне, исследователям пришлось решить три сложнейшие инженерные задачи :

1. Конверсия в телекоммуникационный диапазон. Фотоны, излучаемые рубидиевой памятью, преобразовывали в телекоммуникационный S-диапазон (с длиной волны около 1,5 микрона). В этом диапазоне потери в стандартном оптоволокне минимальны — всего ~0,17 дБ/км.
2. Активная стабилизация оптоволокна. Система с обратной связью в реальном времени компенсировала фазовые флуктуации в длинных оптоволоконных линиях, сохраняя стабильность интерференции на всём 420-километровом пути.
3. Схема запутанности на одном фотоне. Вместо того чтобы ждать совпадения двух фотонов, схема DLCZ запутывает память и фотон уже при испускании одиночного фотона. Это резко увеличивает скорость генерации запутанности на больших расстояниях.

Преодоление фундаментального барьера — предела PLOB

Для квантовой связи существует фундаментальное ограничение — предел PLOB (по фамилиям физиков Пирандолы, Лауренцы, Оттавиани и Банки) . Он описывает максимальную скорость, с которой можно распределить запутанные кубиты через канал с потерями (например, через оптоволокно) без использования квантовых повторителей . Китайские физики впервые экспериментально показали, что на расстоянии более ~230–320 км схема с квантовой памятью даёт более высокую скорость запутывания, чем прямая передача через оптоволокно, то есть превышает предел PLOB . Это не просто рекорд, а прямое доказательство того, что квантовые повторители на основе памяти работают.

Что это значит для квантового интернета

Результат — не просто спортивное достижение. Это первое экспериментальное подтверждение того, что квантовая сеть на запоминающих устройствах может превзойти фундаментальное ограничение безрепитерной передачи . По сути, команда построила ключевой элемент будущего квантового повторителя.

• Переход от городского к межгородскому масштабу. Если раньше рекорды исчислялись десятками километров (2020 г. — 50 км, 2024 г. — сеть в Хэфэе), то сейчас дистанция достигла сотен километров, что соединяет целые города .
• Основа для масштабирования. Работа закладывает практическую базу для создания масштабируемых квантовых повторителей на основе памяти. Они могут стать основой глобального квантового интернета, обеспечив сверхзащищённое распределение квантовых ключей, распределённые квантовые вычисления и безопасную связь на любых расстояниях .