Схема экспериментальной установки. В каждом узле, расположенном в зданиях на расстоянии 400 м друг от друга, один атом 87 Rb загружается в оптическую дипольную ловушку. Оба атома синхронно возбуждаются в состояние 5 2 P 3/2 |F′=0, m F′ =0⟩ для создания атомно-фотонной запутанности в последующем спонтанном распаде. Одиночные фотоны, излучаемые на длине волны 780 нм, собираются с помощью объективов с высокой числовой апертурой и соединяются в одномодовые волокна, ведущие к устройствам QFC. Там они преобразуются в телекоммуникационную длину волны ( λ = 1,517 нм) за счет генерации разностной частоты в периодически поляризованном волноводе из ниобата лития (PPLN), расположенном в установке типа интерферометра Саньяка, такая конфигурация полностью поддерживает поляризационное квантовое состояние фотона. Преобразованные фотоны направляются на промежуточную станцию ​​по оптоволоконным линиям длиной до 16,5 км, где запутывание переключается на атомы с помощью BSM. После успешного создания запутанности атом-атом атомы анализируются независимо с помощью импульса считывания, поляризация которого, заданная полуволновой пластиной (HWP) и четвертьволновой пластиной (QWP), определяет настройку измерения. ПК, контроллеры поляризации. Кредит: Природа (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04764-4

Сеть, в которой передача данных полностью защищена от взлома? Если физики добьются своего, однажды это станет реальностью с помощью квантово-механического явления, известного как запутанность. Для запутанных частиц правило таково: если вы измеряете состояние одной из частиц, то автоматически узнаете состояние другой. Не имеет значения, насколько далеко запутанные частицы находятся друг от друга. Это идеальное состояние для передачи информации на большие расстояния таким образом, что подслушивание становится невозможным.

Группа ученых под руководством профессора Харальда Вайнфуртера из LMU и профессора Кристофа Бехера из Саарского университета соединила две атомные квантовые памяти по оптоволоконному соединению длиной 33 километра. На данный момент это самое большое расстояние, на котором кому-либо когда-либо удавалось справляться с запутыванием через телекоммуникационное волокно.

Квантово-механическая запутанность опосредована фотонами, испускаемыми двумя квантовыми воспоминаниями. Решающим шагом стало смещение исследователями длины волны испускаемых частиц света до значения, которое используется для обычных телекоммуникаций. «Сделав это, мы смогли значительно уменьшить потерю фотонов и создать запутанную квантовую память даже на больших расстояниях по оптоволоконному кабелю», — говорит Вайнфуртер.

Вообще говоря, квантовые сети состоят из узлов отдельных квантовых воспоминаний, таких как атомы, ионы или дефекты в кристаллических решетках. Эти узлы способны получать, хранить и передавать квантовые состояния. Посредничество между узлами может осуществляться с помощью частиц света, которыми обмениваются либо по воздуху, либо целенаправленно через оптоволоконное соединение. Для своего эксперимента исследователи используют систему, состоящую из двух атомов рубидия, захваченных оптическим путем, в двух лабораториях в кампусе LMU. Два места соединены оптоволоконным кабелем длиной 700 метров, который проходит под площадью Geschwister Scholl перед главным зданием университета. Добавляя дополнительные волокна на катушки, можно получить соединения длиной до 33 километров.

Лазерный импульс возбуждает атомы, после чего они спонтанно возвращаются в свое основное состояние, испуская при этом фотон. Из-за сохранения углового момента спин атома запутан с поляризацией излучаемого им фотона . Затем эти легкие частицы можно использовать для создания квантово-механической связи двух атомов. Для этого ученые отправили их по оптоволоконному кабелю на приемную станцию, где совместное измерение фотонов указывает на запутанность квантовой памяти.

Кредит: Ян Грюн

Однако большинство квантовых воспоминаний излучают свет с длинами волн в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне. «В волоконной оптике эти фотоны пролетают всего несколько километров, прежде чем теряются», — объясняет Кристоф Бехер. По этой причине физик из Саарбрюкена и его команда оптимизировали длину волны фотонов для их путешествия по кабелю. Используя два квантовых преобразователя частоты, они увеличили исходную длину волны с 780 нанометров до длины волны 1517 нанометров.

«Это близко к так называемой длине волны телекоммуникаций около 1550 нанометров», — говорит Бехер. Телекоммуникационный диапазон — это диапазон частот, в котором передача света по оптоволокну имеет наименьшие потери. Команда Бехера выполнила преобразование с беспрецедентной эффективностью 57%. При этом им удалось в высокой степени сохранить качество информации, хранящейся в фотонах, что является условием квантовой связи.

«Значение нашего эксперимента заключается в том, что мы на самом деле запутываем две стационарные частицы, то есть атомы, которые функционируют как квантовая память», — говорит Тим ​​ван Леент, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Nature . «Это намного сложнее, чем запутывать фотоны, но открывает гораздо больше возможностей для применения».

Исследователи считают, что разработанную ими систему можно использовать для построения крупномасштабных квантовых сетей и для реализации защищенных протоколов квантовой связи. «Эксперимент — важный шаг на пути к квантовому интернету на основе существующей волоконно-оптической инфраструктуры», — говорит Харальд Вайнфуртер.