Квантовая запутанность рекордной дальности: 420 км по оптоволокну

Результаты были опубликованы в престижном журнале Physical Review Letters как Editors' Suggestion (рекомендация редакции) и предварительно размещены на arXiv.org . Эксперимент является конкретным шагом от квантовых сетей масштаба мегаполиса к реальным межгородским линиям связи.

Как работал эксперимент

Система была построена на двух узлах квантовой памяти, которые исследователи назвали Алиса и Боб, с центральным измерительным узлом (Чарли) между ними . Каждый узел памяти представлял собой облако атомов рубидия-87, охлаждённых и удерживаемых лазерами. Для создания запутанности команда использовала известный протокол DLCZ (по фамилиям авторов — Дуань, Лукин, Цирак, Цоллер) . В этом подходе каждая память с определённой вероятностью испускает одиночный фотон. Обнаружение этого фотона на центральном узле сигнализирует о том, что две памяти запутались.

Чтобы достичь 420 км, команде пришлось решить три основные проблемы:

Преобразование длины волны. Атомы рубидия естественным образом излучают фотоны на длине волны около 780 нм, в ближнем инфракрасном диапазоне. На таком свете сигнал быстро затухает при передаче по оптоволокну на большие расстояния. Исследователи преобразовали каждый фотон в телекоммуникационный диапазон (около 1550 нм) — ту же длину волны, что используется в стандартных оптоволоконных линиях связи, чтобы сигнал мог пройти сотни километров без поглощения .

Активная стабилизация. На дистанции в 420 км изменения температуры, вибрации и другие механические воздействия могут разрушить фазовые соотношения, необходимые для интерференции одиночных фотонов. Команда разработала систему стабилизации, которая непрерывно компенсировала эти флуктуации, сохраняя когерентность на всей длине линии .

Интерференция одиночных фотонов. Ключевое измерение, создающее запутанность, происходит на центральном узле, где интерферируют фотоны от Алисы и Боба. Достижение стабильной интерференции одиночных фотонов на таком огромном расстоянии стало одной из главных технических задач, которую команда успешно решила .

Преодоление границы PLOB

Возможно, самым значительным результатом является то, что эксперимент превзошёл так называемый предел PLOB — теоретический максимум скорости, с которой запутанность может распространяться по каналу с потерями без использования квантовых повторителей . Измеренная вероятность запутывания двух квантовых ячеек памяти превысила этот предел на расстояниях более 230 км, и преимущество продолжало расти по мере увеличения длины волокна вплоть до 420 км . Как отмечается в одном из отчётов, это первая демонстрация с использованием памяти, которая превзошла этот фундаментальный барьер .

Команда также показала, что их схема с квантовой памятью работает эффективнее, чем прямая передача запутанности по оптоволокну, начиная с расстояния примерно 320 км . Это объясняется тем, что вероятность успеха в подходе с памятью масштабируется как квадратный корень из коэффициента пропускания канала, в то время как для прямой передачи она линейно зависит от этого коэффициента. Эта фундаментальная разница и даёт памяти преимущество на больших расстояниях .

Почему это важно для квантового интернета

Переход от городского масштаба к межгородскому. Предыдущие рекорды запутанности материя-материя по оптоволокну находились в диапазоне 50–100 км, что охватывает типичный мегаполис . На расстоянии 420 км эксперимент выходит на дистанции, соединяющие города. Как пишут сами авторы: «Наш эксперимент предоставляет испытательный полигон для изучения применения квантовых сетей за пределами масштаба одного города» .

Подтверждение квантовых сетей с памятью. Результат доказывает, что квантовая память может сохранять и передавать запутанность на практических дистанциях по оптоволокну, превосходя при этом предел работы без повторителей . Это необходимое условие для создания масштабируемых квантовых повторителей и, в конечном итоге, полноценного квантового интернета .

Совместимость с существующей инфраструктурой. Ключевые компоненты — преобразование длины волны в телекоммуникационный диапазон, активная стабилизация волокна и квантовая память на холодных атомах — совместимы со стандартным оптоволоконным оборудованием . Это указывает на реалистичный путь модернизации от сегодняшних сетей квантового распределения ключей (QKD) к будущему квантовому интернету с возможностью долгосрочного распределения запутанности.

Ключевые оговорки

Несмотря на всю значимость технического достижения, важно отметить, что это лабораторная демонстрация. В эксперименте использовалось оптоволокно, смотанное в бухты, в контролируемых условиях, а не реальная линия, проложенная на местности . Часть волокна проходила от университетской лаборатории до измерительного узла в парке программного обеспечения Хэфэй, но основная дистанция приходилась на бухты . Для реального внедрения потребуется решить дополнительные инженерные задачи, включая стабильность оптоволокна в полевых условиях, интеграцию с коммутационным и маршрутизирующим оборудованием, а также масштабирование до нескольких взаимосвязанных узлов .