Китайські фізики встановили новий рекорд квантової заплутаності, з'єднавши квантові комірки пам'яті через 420 км оптоволокна

Опубліковане в Physical Review Letters як „Рекомендація редакторів“ (Editors' Suggestion) і вперше розміщене на arXiv , це дослідження є конкретним кроком від квантових мереж міського масштабу до справжніх міжміських з'єднань.

Як проходив експеримент

Система складалася з двох вузлів квантової пам'яті, названих Алісою та Бобом, з центральним вимірювальним вузлом (Чарлі) між ними . Кожен вузол пам'яті був хмарою атомів рубідію-87, охолодженою та захопленою лазерами. Для створення заплутаності команда використала добре відомий протокол Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . У цьому підході кожен вузол пам'яті з певною ймовірністю випускає один фотон. Виявлення цього фотона на центральному вузлі сигналізує про те, що дві комірки пам'яті заплуталися.

Команді довелося подолати три основні перешкоди, щоб досягти 420 км:

Перетворення довжини хвилі. Атоми рубідію природно випромінюють фотони на довжині хвилі близько 780 нм, у ближньому інфрачервоному діапазоні. Вони швидко поглинулися б на великих відстанях у волокні. Команда перетворила кожен фотон на телекомунікаційний діапазон (близько 1550 нм) — ту саму довжину хвилі, яка використовується для стандартних волоконно-оптичних комунікацій, — щоб сигнал міг подорожувати сотні кілометрів без поглинання .

Активна стабілізація. На відрізку в 420 км зміни температури, вібрації та інші механічні впливи можуть зруйнувати фазове співвідношення, необхідне для інтерференції одиночних фотонів. Команда розгорнула систему стабілізації, яка безперервно компенсувала ці флуктуації, зберігаючи когерентність на всьому з'єднанні .

Інтерференція одиночних фотонів. Ключове вимірювання, яке створює заплутаність, відбувається на центральному вузлі, де фотони від Аліси та Боба інтерферують. Досягнення стабільної інтерференції для одиночних фотонів на такій великій відстані стало серйозним технічним викликом, який команді успішно вдалося вирішити .

Подолання межі PLOB

Мабуть, найвагомішим результатом є те, що експеримент перевершив межу PLOB — теоретичну максимальну швидкість, з якою заплутаність може поширюватися через канал із втратами без використання квантових повторювачів . Виміряна ймовірність заплутування двох комірок пам'яті перевищила цю межу на відстанях понад приблизно 230 км, і перевага продовжувала зростати зі збільшенням довжини волокна аж до 420 км . Як зазначають в одному звіті, це перша демонстрація на основі пам'яті, яка перевершила цю фундаментальну межу .

Команда також продемонструвала, що їхня схема з використанням пам'яті перевершує пряме розповсюдження заплутаності через оптоволокно на відстані понад приблизно 320 км . Це відбувається тому, що метод на основі пам'яті масштабується як квадратний корінь із пропускної здатності каналу, тоді як пряма передача масштабується лінійно — фундаментальна різниця, яка дає пам'яті перевагу на великих відстанях .

Чому це важливо для квантового інтернету

Перехід від міського до міжміського масштабу. Попередні рекорди заплутаності „матерія-матерія“ через оптоволокно були в діапазоні 50–100 км, що охоплює типову міську територію . На відстані 420 км експеримент виходить на відстані, які з'єднують міста. Як пишуть автори: „Наш експеримент створює випробувальний полігон для вивчення застосувань квантових мереж за межами масштабу одного міста“ .

Підтвердження квантових мереж на основі пам'яті. Результат доводить, що квантова пам'ять може зберігати та сигналізувати про заплутаність на практичних відстанях у волокні, одночасно перевершуючи межу роботи без повторювачів . Це необхідна умова для створення масштабованих квантових повторювачів і, зрештою, повноцінного квантового інтернету .

Сумісність з існуючою телекомунікаційною інфраструктурою. Ключові компоненти — перетворення довжини хвилі в телекомунікаційний діапазон, активна стабілізація волокна та пам'ять на холодних атомах — сумісні зі стандартним волоконно-оптичним обладнанням . Це вказує на реалістичний шлях модернізації від сучасних мереж квантового розподілу ключів (QKD) до майбутнього квантового інтернету з розподілом заплутаності на великі відстані за допомогою пам'яті.

Важливі застереження

Хоча технічне досягнення є безсумнівним, варто зазначити, що це була лабораторна демонстрація. В експерименті використовувалося волокно, намотане на котушки, в контрольованому середовищі, а не прокладене на місцевості . Волокно включало коротку ділянку, прокладену від університетської лабораторії до вимірювального вузла в бізнес-парку Хефей, але більша частина відстані була на котушках . Реальне розгортання вимагатиме вирішення додаткових інженерних завдань, включаючи стабільність волокна, прокладеного на місцевості, інтеграцію з комутаційним та маршрутизуючим обладнанням, а також масштабування до кількох взаємопов'язаних вузлів .