Экспериментальная конфигурация квантовой интерференции между двумя независимыми однофотонными источниками твердотельных КТ, разделенными оптоволокном длиной 302 км. DM: дихроматическое зеркало, LP: дальний проход, BP: полосовой, BS: светоделитель, SNSPD: сверхпроводящий детектор одиночных фотонов с нанопроволокой, HWP: полуволновая пластина, QWP: четвертьволновая пластина, PBS: поляризационный светоделитель. Авторы и права: Передовая фотоника (2022 г.). DOI: 10.1117/1.AP.4.6.066003

Нобелевская премия по физике этого года отметила фундаментальный интерес к квантовой запутанности, а также представила потенциальные приложения во «второй квантовой революции» — новой эпохе, когда мы сможем манипулировать странностями квантовой механики, включая квантовую суперпозицию и запутанность. Крупномасштабная и полностью функциональная квантовая сеть — это святой Грааль квантовых информационных наук. Это откроет новый рубеж в физике с новыми возможностями для квантовых вычислений, связи и метрологии.

Одной из наиболее важных задач является увеличение расстояния квантовой связи до практически полезного масштаба. В отличие от классических сигналов, которые можно усиливать бесшумно, квантовые состояния в суперпозиции не могут быть усилены, потому что их нельзя идеально клонировать. Поэтому для высокопроизводительной квантовой сети требуются не только квантовые каналы со сверхмалыми потерями и квантовая память, но и высокопроизводительные квантовые источники света. В последнее время был достигнут захватывающий прогресс в спутниковой квантовой связи и квантовых повторителях, но отсутствие подходящих источников одиночных фотонов препятствовало дальнейшему прогрессу.

Что требуется от источника одиночных фотонов для приложений квантовой сети? Во-первых, он должен излучать один (только один) фотон за раз. Во-вторых, для достижения яркости однофотонные источники должны иметь высокую эффективность системы и высокую частоту повторения. В-третьих, для таких приложений, как квантовая телепортация, требующих взаимодействия с независимыми фотонами, отдельные фотоны должны быть неразличимы. Дополнительные требования включают масштабируемую платформу, настраиваемую и узкополосную ширину линии (благоприятную для временной синхронизации) и взаимосвязь с кубитами материи.

Перспективным источником являются квантовые точки (КТ), полупроводниковые частицы размером всего несколько нанометров. Однако в последние два десятилетия видимость квантовой интерференции между независимыми КТ редко превышала классический предел в 50%, а расстояния ограничивались несколькими метрами или километрами.

Как сообщается в Advanced Photonics, международная группа исследователей добилась квантовой интерференции с высокой видимостью между двумя независимыми квантовыми точками, связанными оптическими волокнами длиной около 300 км. Они сообщают об эффективных и неразличимых однофотонных источниках со сверхмалошумящим, настраиваемым однофотонным преобразованием частоты и передачей по длинным волокнам с низкой дисперсией.

Одиночные фотоны генерируются резонансно управляемыми одиночными КТ, детерминистически связанными с микрорезонаторами. Квантовые преобразования частоты используются для устранения неоднородности КТ и сдвига длины волны излучения в телекоммуникационный диапазон. Наблюдаемая интерференционная заметность составляет до 93%. По словам старшего автора Чао-Янг Лу, профессора Университета науки и технологий Китая (USTC), «возможные улучшения могут увеличить расстояние до ~ 600 км».

Лу отмечает: «Наша работа вышла за рамки предыдущих квантовых экспериментов на основе КТ в масштабе от ~ 1 км до 300 км, что на два порядка больше, и, таким образом, открывает захватывающую перспективу твердотельных квантовых сетей». С этим скачком, о котором сообщается, рассвет твердотельных квантовых сетей может вскоре начать приближаться к дню.