Первая квантовая революция привела к появлению полупроводниковой электроники, лазера и, наконец, Интернета. Вторая квантовая революция обещает защищенные от шпионства средства связи или квантовые компьютеры для ранее неразрешимых вычислительных задач. Но эта революция все еще находится в зачаточном состоянии.

Физики разрабатывают эффективный модем для квантового Интернета будущего

Центральным объектом исследования является интерфейс между локальными квантовыми устройствами и световыми квантами, позволяющий удаленно передавать высокочувствительную квантовую информацию. Группа Отто Хана «Quantum Networks», возглавляемая Андреасом Рейзерером в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, исследует такой «квантовый модем». В настоящее время команда достигла первого прорыва в относительно простой, но высокоэффективной технологии, которая может быть интегрирована в существующие оптоволоконные сети. Работа опубликована сегодня в «Physical Review X».

Глобальная квантовая сеть как цель

Квантовый интернет — это глобальная сеть новых технологий, которые делают последующее использование квантовой физики сильнее, чем когда-либо. Однако для этого требуются подходящие интерфейсы для чрезвычайно чувствительной квантовой информации, что является огромной технической проблемой. Поэтому такие интерфейсы находятся в центре внимания фундаментальных исследований.

Они должны обеспечивать эффективное взаимодействие стационарных квантовых битов — кубитов для краткости — с «летучими» кубитами для связи на большие расстояния без разрушения квантовой информации. Стационарные кубиты находятся в локальных устройствах, таких как память или процессор квантового компьютера. Летучие кубиты, как правило, представляют собой легкие кванты, также называемые фотонами, которые передают квантовую информацию по воздуху, в вакууме пространства или по оптоволоконным сетям.

Физики разрабатывают эффективный модем для квантового Интернета будущего

Квантовый модем предназначен для эффективного установления связи между летучими и стационарными кубитами. Для этого команда Андреаса Рейзерера и его докторант Бенджамин Меркель разработали новую технологию и только что продемонстрировали ее базовые функциональные возможности в своей новой работе. Ее решающее преимущество заключается в том, что она может быть интегрирована в существующую телекоммуникационную волоконно-оптическую сеть. Это было бы самым быстрым способом развития функционирующей магистральной сети из квантовых технологий.

В новой технике используются атомы эрбия как стационарные кубиты. Они подходят потому, что их электроны могут совершить квантовый скачок, который соответствует стандартной длине волны инфракрасных фотонов в оптоволоконных сетях. Однако, чтобы произошел квантовый скачок, фотоны должны интенсивно трясти атомы эрбия. Для этого команда упаковала атомы в прозрачный кристалл из силиката иттрия, который в пять раз тоньше человеческого волоса.

Физики разрабатывают эффективный модем для квантового Интернета будущего

Этот кристалл, в свою очередь, размещен как сэндвич, распределенный между двумя почти идеальными зеркалами. В зеркальном шкафу фотоны летают туда-сюда, как шарики для пинг-понга, многократно проходя через кристалл. Таким образом, они оживляют атомы эрбия, чтобы сделать их квантовый скачок намного эффективнее и почти в шестьдесят раз быстрее, чем без этого зеркального шкафа. Так как зеркала, несмотря на свое совершенство, также слегка проницаемы для фотонов, модем может подключаться к сети.

Теперь команда смогла продемонстрировать, что этот принцип работает очень успешно и эффективно. Квантовый модем «Garching» до сих пор является чисто фундаментальным исследованием. Но у него есть потенциал для продвижения технической реализации квантового интернета.