Исследователи разрабатывают модуль для квантового ретранслятора

Физикам удалось запутать один атом с одним фотоном в диапазоне длин волн телекоммуникаций. Это представляет собой основной строительный блок для передачи квантовой информации на большие расстояния с малыми потерями. Связь с использованием квантовых состояний обеспечивает максимальную безопасность, поскольку попытки перехвата возмущают сигнал и поэтому не остаются необнаруженными. По той же причине, однако, передача данных на большие расстояния затруднительна. В классической телекоммуникации возрастающее ослабление сигнала противодействует измерению, усилению и повторной отправке его в так называемые станции-повторители, но это оказывается столь же вредным для квантовой информации, как и подслушивающее устройство.

Поэтому необходимо использовать другой принцип: квантовый ретранслятор. Здесь квантовое запутывание сначала устанавливается на короткое расстояние, а затем распространяется до более длинные дистанции. Квантовое запутывание между двумя частицами означает, что их общее состояние точно определено, хотя при измерении отдельных состояний частиц результаты являются случайными и непредсказуемыми. Возможная реализация заключается в запутывании одного атома с фотоном, который он излучает. Это то, что делают в лабораториях профессора Юргена Эшера (Jürgen Escher) с использованием одиночных атомов кальция в ионной ловушке, которые управляются лазерными импульсами. Однако для длины волны 854 нм, на которой происходит запутывание атомов-фотонов, нет оптических волокон с малыми потерями для передачи на большие расстояния; вместо этого хотелось бы передать фотоны в одной из так называемых телекоммуникационных полос (1300 - 1560 нм). Технология преобразования фотонов в этот режим, квантовый преобразователь частоты, была разработана профессором Кристофом Бехером (Christoph Becher) и его исследовательской группой.

Вместе они продемонстрировали, что после квантового преобразования частоты телекоммуникационный фотон все еще запутан с атомом, который испускает исходный фотон, и что сохраняется высокое качество запутывания. Один из увлекательных аспектов работы заключается в том, что запутанное квантовое состояние двух микроскопических частиц (одного атома и одного телекоммуникационного фотона) простирается на несколько этажей физического здания университета. «Это открывает путь к запутыванию на расстояния 20 километров и более», - комментирует аспирант Матиас Бок (Matthias Bock) и первый автор статьи. Результаты являются важным шагом на пути интеграции квантовых технологий с обычными телекоммуникациями.