Квантовое хранение запутанных фотонов на телекоммуникационных длинах волн в кристалле
Практическая реализация требует, чтобы информация, закодированная в квантовых системах, могла надежно храниться на частотах, используемых в телекоммуникационных сетях — возможность, которая еще не была полностью продемонстрирована. В статье для Nature Communications группа профессора Сяо-Сун Ма из Нанкинского университета сообщает о рекордно длинном квантовом хранилище на телекоммуникационных длинах волн на платформе, которая может быть развернута в расширенных сетях, открывая путь для практических крупномасштабных квантовых сетей. Показано, что даже после хранения фотона в течение 1936 наносекунд запутанность пары фотонов сохраняется. Это означает, что в течение этого времени квантовым состоянием можно манипулировать, как это требуется в квантовом повторителе. Кроме того, исследователи объединили свою квантовую память с новым источником запутанных фотонов на интегрированном чипе.
Группа профессора Сяо-Сун Ма из Нанкинского университета продемонстрировала точное хранение квантово-запутанных фотонов на телекоммуникационных длинах волн в течение рекордно длительного времени — почти 2 мкс. Ключевыми элементами этого достижения были сочетание эффективной генерации запутанных фотонов (синие сферы) со встроенным микрокольцевым резонатором (внизу справа) и длительное время хранения в ансамбле из 167 ионов Er3+, легированных в кристалле Y2SiO5 (куб) с использованием гребенки атомных частот (внизу слева).
Фото: Группа профессора Сяо-Сун Ма из Нанкинского университета.
Квантовые технологии в настоящее время развиваются с головокружительной скоростью. Эти технологии используют принципы квантовой механики в правильно спроектированных системах и имеют блестящие перспективы, такие как повышение эффективности вычислений или безопасности связи, намного превосходящее то, что возможно с устройствами, основанными на сегодняшних «классических» технологиях.
Однако, как и в случае с классическими устройствами, для полной реализации своего потенциала квантовые устройства должны быть объединены в сеть. В принципе, это можно сделать, используя оптоволоконные сети, используемые в классической телекоммуникации. Но практическая реализация требует, чтобы информация, закодированная в квантовых системах, могла надежно храниться на частотах, используемых в телекоммуникационных сетях — возможность, которая еще не была полностью продемонстрирована.
В статье для Nature Communications группа профессора Сяо-Сун Ма из Нанкинского университета сообщает о рекордно длинном квантовом хранилище на телекоммуникационных длинах волн на платформе, которая может быть развернута в расширенных сетях, открывая путь для практических крупномасштабных квантовых сетей.
Физическая ткань Интернета соткана из оптических волокон. Стеклянные волокна, из которых состоят эти обширные сети, известны своей чистотой. Типичный пример: через окно толщиной в километр, сделанное из такого стекла, можно было хорошо видеть. Тем не менее, некоторые потери неизбежны, и оптические сигналы, которые проходят через телекоммуникационные сети, необходимо «обновлять» через регулярные промежутки времени, когда расстояния превышают несколько сотен километров.
Для классических сигналов существуют хорошо зарекомендовавшие себя и широко используемые методы, основанные на многократном усилении сигналов. Однако для квантовых состояний света эти обычно используемые подходы, к сожалению, непригодны.
Почему «квантовый свет» отличается от него? Ключевым ингредиентом, который делает квантовые технологии такими мощными, является квантовая запутанность — состояние, в котором два или более квантов света (или фотонов) имеют между собой более сильные корреляции, чем это возможно для классического света. При обычной регенерации оптического сигнала оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал, который усиливается перед преобразованием обратно в световые импульсы.
Однако в таком процессе запутанные фотоны потеряют свои важнейшие квантовые корреляции. Та же проблема возникает и с другими традиционными методами.
Решением является использование так называемых квантовых повторителей. Короче говоря, квантовые повторители сохраняют хрупкое запутанное состояние и преобразуют его в другое квантовое состояние, которое разделяет запутанность со следующим узлом в цепочке. Другими словами, вместо усиления сигнала узлы «сшиваются вместе», используя свои уникальные квантовые свойства. В основе таких сетей квантовых повторителей лежит квантовая память, в которой могут храниться квантовые состояния света.
Реализация этих воспоминаний с достаточно длительным временем хранения является непростой задачей, особенно для фотонов на телекоммуникационных длинах волн (то есть около 1,5 мкм).
Отсюда и волнение, поскольку Мин-Хао Цзян, Вэньи Сюэ и коллеги из группы Сяо-Сун Ма теперь сообщают о хранении и извлечении запутанного состояния двух телекоммуникационных фотонов со временем хранения, близким к двум микросекундам. Это почти в 400 раз дольше, чем было продемонстрировано ранее в этой области, и, следовательно, является решающим шагом на пути к практическим устройствам.
Воспоминания, разработанные Цзяном, Сюэ и др. основаны на кристаллах ортосиликата иттрия (Y2SiO5), легированных ионами редкоземельного элемента эрбия. Эти ионы обладают оптическими свойствами, которые практически идеальны для использования в существующих оптоволоконных сетях и соответствуют длине волны около 1,5 мкм.
Пригодность ионов эрбия для квантового хранения известна уже несколько лет, а тот факт, что они внедрены в кристалл, делает их особенно привлекательными с точки зрения крупномасштабного применения. Однако практическая реализация квантовой памяти на основе ионов эрбия до сих пор оказалась относительно неэффективной, что препятствует дальнейшему прогрессу в создании квантовых повторителей.
Группа Ма сейчас добилась значительных успехов в совершенствовании методов и показала, что даже после хранения фотона в течение 1936 наносекунд запутанность пары фотонов сохраняется. Это означает, что в течение этого времени квантовым состоянием можно манипулировать, как это требуется в квантовом повторителе. Кроме того, исследователи объединили свою квантовую память с новым источником запутанных фотонов на интегрированном чипе.
Эта продемонстрированная способность одновременно генерировать запутанные фотоны высокого качества на телекоммуникационных частотах и сохранять запутанное состояние, и все это на твердотельной платформе, подходящей для недорогого массового производства, является захватывающей, поскольку она создает многообещающий строительный блок, который может быть объединен с существующими крупномасштабные оптоволоконные сети, что позволит создать квантовый интернет будущего.
