Передавати квантову інформацію на великі відстані – це як намагатися запустити паперовий літачок через поле під час сильного шторму. Що далі ціль, то менше шансів, що крихкий сигнал долетить неушкодженим. Проте науковці з Китайського університету науки і технологій знайшли спосіб обійти цю перешкоду. Команда під керівництвом Сі-Юй Ло, Чао-Ян Вана та Мін-Ян Чжена встановила світовий рекорд, створивши стійку квантову заплутаність між двома об’єктами матерії через оптоволоконний кабель довжиною 420 кілометрів. Це більш ніж у чотири рази перевищує попередні досягнення і відкриває реальний шлях до побудови квантового інтернету між містами.
Повідомляє T4 з посиланням на sciencealert.com.
Як працює квантова пам’ять і чому фотонів замало
Щоб зрозуміти суть прориву, варто згадати базовий принцип технології. Коли два фізичних об’єкти перебувають у стані квантової заплутаності, їхній стан стає спільним: вимірявши параметри одного, можна миттєво дізнатися стан іншого, на яку б відстань їх не рознесли. У більшості попередніх дослідів фізики працювали з фотонами – частками світла. Вони швидкі, але занадто летючі й легкі, тому не підходять для тривалого збереження інформації. Для повноцінної квантової мережі потрібні аналоги жорстких дисків – квантова пам’ять, здатна надійно записувати та зчитувати дані.
У китайському експерименті роль такої пам’яті виконали хмари атомів рубідію, охолоджені лазерами майже до абсолютного нуля. Науковці створили два таких блоки, назвавши їх Алісою та Бобом, і розмістили їх на протилежних кінцях 420-кілометрової лінії. Посередині кабелю облаштували проміжний вузол під назвою Чарлі. Аліса та Боб випромінювали фотони у напрямку Чарлі. Коли той фіксував правильну інтерференцію світла, між Алісою та Бобом виникав зв’язок – хоча вони фізично ніколи не контактували між собою.
Три рішення, які зробили рекорд можливим
Збільшити відстань передачі у чотири рази вдалося завдяки комбінації трьох інженерних підходів. Перша проблема полягала у банальному згасанні сигналу в скляній нитці. Атоми рубідію природно випромінюють світло на довжині хвилі, яку оптоволокно швидко поглинає. Дослідники розробили протокол квантової конверсії частоти, який переводив ці фотони у стандартний діапазон телекомунікаційної індустрії. Завдяки цьому втрати сигналу в кабелі знизилися до мінімуму.
Другою перешкодою була чутливість квантових станів до довкілля. Найменші коливання температури або мікроскопічні вібрації ґрунту навколо кабелю здатні миттєво збити точну квантову фазу. Фізики створили нову систему активної фазової стабілізації, яка безперервно відстежувала й компенсувала найменші відхилення вздовж усієї магістралі.
Третім ключем стала схема заплутаності на основі одного фотона. Замість того, щоб чекати прильоту одразу двох частинок від обох кінців лінії, системі достатньо було впіймати лише один фотон, який успішно подолав дистанцію. Це суттєво підвищило ймовірність успішного з’єднання на такій гігантській відстані.
Подолання фундаментальної межі PLOB
Експеримент, деталі якого опубліковані в журналі Physical Review Letters, показує дещо більше за простий рекорд дальності. У квантовій фізиці існує так звана межа PLOB – математично розрахований максимум інформації, яку можна передати через оптичний кабель із втратами без використання проміжних повторювачів або вузлів пам’яті. На дистанціях понад 320 кілометрів розроблена китайськими вченими система продемонструвала швидкість створення заплутаності, вищу за цей межальний ліміт прямої передачі.
Це не порушує закони фізики, а доводить головне: мережі на основі квантової пам’яті справді здатні ефективно працювати там, де звичайна пряма передача світла стає повністю безпорадною. На практиці це означає можливість будувати квантові повторювачі – спеціальні вузли, що з’єднують окремі ділянки кабелю у єдиний ланцюг без втрати дальності.
Часті запитання про квантову заплутаність та мережі
Чим квантовий інтернет відрізняється від звичайного?
Звичайний інтернет передає дані у вигляді бітів через електричні чи оптичні імпульси, які потенційно можна перехопити або зчитувати непомітно. Квантовий інтернет використовує кубіти. Закони фізики гарантують, що будь-яка спроба стороннього спостереження чи вимірювання квантового стану миттєво змінює його та руйнує дані, що робить непомітне перехоплення неможливим.
Чому саме 420 кілометрів є важливим рубежем?
Попередні експерименти зі створення заплутаності між системами матерії обмежувалися відстанями у межах 100 кілометрів. Досягнення позначки у 420 км доводить, що квантовий зв’язок можна встановлювати не лише між сусідніми лабораторіями чи в межах одного міста, а й між віддаленими обласними центрами.
Коли очікувати на появу повноцінного квантового інтернету?
Для практичного впровадження науковцям ще потрібно навчитися об’єднувати багато таких 420-кілометрових сегментів у єдину систему та збільшувати час зберігання даних у самих блоках пам’яті. Втім, успішне подолання межі PLOB підтверджує правильність обраної архітектури.
Побудова квантових мереж поступово переходить із суто теоретичної фізики в площину мережевої інженерії. Якщо технологію вдасться поєднати з оптичними ґратками для ще тривалішого збереження квантових станів, з’єднання міжміських квантових магістралей стане лише питанням часу та інфраструктурних інвестицій.
Підписуйся на наш Telegram-канал