Карта, показывающая путь двухузловой квантовой сети через Кембридж и Бостон, штат Массачусетс.
Фото: Can Knaut через OpenStreetMap

Одно дело придумать квантовый Интернет, который мог бы отправлять защищенную от хакеров информацию по всему миру с помощью фотонов, наложенных в разных квантовых состояниях. Совсем другое – физически доказать, что это возможно.

Именно это сделали физики из Гарварда, используя существующее телекоммуникационное волокно в районе Бостона, чтобы продемонстрировать самое длинное в мире расстояние между двумя узлами квантовой памяти. Думайте об этом как о простом закрытом Интернете между точками А и Б, несущем сигнал, закодированный не классическими битами, такими как существующий Интернет, а совершенно безопасными отдельными частицами света.

Инновационная работа под названием «Запутывание узлов нанофотонной квантовой памяти в телекоммуникационной сети », опубликованная в журнале Nature , была проведена под руководством Михаила Лукина, профессора кафедры физики Университета Джошуа и Бет Фридман, в сотрудничестве с профессорами Гарварда Марко Лончаром и Хонгкуном. Пак, которые являются членами Гарвардской квантовой инициативы вместе с исследователями из Amazon Web Services.

Команда из Гарварда разработала практические основы первого квантового Интернета, соединив два узла квантовой памяти, разделенные оптоволоконной линией, развернутой по кольцу длиной примерно 22 мили через Кембридж, Сомервилл, Уотертаун и Бостон. Два узла располагались этажом друг от друга в Гарвардской лаборатории комплексной науки и техники.

Квантовая память, аналогичная классической компьютерной памяти, является важным компонентом взаимосвязанного будущего квантовых вычислений, поскольку она позволяет выполнять сложные сетевые операции, а также хранить и извлекать информацию . Хотя в прошлом создавались и другие квантовые сети, гарвардская команда является самой длинной оптоволоконной сетью между устройствами, которые могут хранить, обрабатывать и перемещать информацию.

Каждый узел представляет собой очень маленький квантовый компьютер, сделанный из кусочка алмаза, имеющего дефект в атомной структуре, называемый центром кремниевых вакансий. Внутри алмаза резные структуры размером менее одной сотой ширины человеческого волоса усиливают взаимодействие между центром кремниевой вакансии и светом.

Центр кремниевых вакансий содержит два кубита, или бита квантовой информации: один в форме электронного спина, используемого для связи, а другой в виде более долгоживущего ядерного спина, используемого в качестве кубита памяти для хранения запутанности (квантово-механический свойство, позволяющее идеально коррелировать информацию на любом расстоянии).

Оба вращения полностью управляются микроволновыми импульсами. Эти алмазные устройства площадью всего несколько квадратных миллиметров размещены внутри холодильных установок, температура которых достигает -459°F.

Использование центров кремниевых вакансий в качестве устройств квантовой памяти для одиночных фотонов было многолетней исследовательской программой в Гарварде. Эта технология решает главную проблему теоретического квантового Интернета: потерю сигнала, которую невозможно повысить традиционными способами.

Квантовая сеть не может использовать стандартные оптоволоконные повторители сигналов, поскольку копирование произвольной квантовой информации невозможно, что делает информацию безопасной, но ее также очень трудно транспортировать на большие расстояния.

Сетевые узлы на основе кремниевых вакансий могут улавливать, хранить и запутывать биты квантовой информации, одновременно корректируя потерю сигнала. После охлаждения узлов почти до абсолютного нуля свет проходит через первый узел и в силу атомной структуры кремниевого вакансионного центра запутывается с ним.

«Поскольку свет уже запутался в первом узле, он может передать это запутывание во второй узел», — объяснил первый автор Кан Кнаут, студент Высшей школы искусств и наук Кеннета Гриффина в лаборатории Лукина. «Мы называем это фотонной запутанностью».

За последние несколько лет исследователи арендовали оптическое волокно у компании в Бостоне для проведения своих экспериментов, установив свою демонстрационную сеть поверх существующего волокна, чтобы показать, что создание квантового Интернета с аналогичными сетевыми линиями возможно.

«Демонстрация того, что узлы квантовой сети могут быть запутаны в реальной среде очень оживленного городского района, является важным шагом на пути к практическому созданию сети между квантовыми компьютерами», — сказал Лукин.

Двухузловая квантовая сеть — это только начало. Исследователи усердно работают над повышением производительности своей сети, добавляя узлы и экспериментируя с большим количеством сетевых протоколов.