Квантовые коммуникации без связывания могут работать быстрее на несколько порядков

Для организации обмена информацией между квантовыми компьютерами (узлами) в качестве стандартной схемы обычно предлагается связывание (entanglement) с применением квантовых повторителей, распространяющих дальность связывания на многокилометровые сети.

Однако, в таких системах быстродействие внутренне ограничивается временем, требующимся для установления связывания между узлами. В результате, квантовые сети зачастую даже уступают по быстродействию классическим. Кроме того, из-за высокой нестабильности квантовых кубитов, для обеспечения сохранности их состояния на те миллисекунды, пока устанавливается связывание, требуется дополнительный компонент — квантовая память.

В новой работе, о которой повествуется в свежем издании Nature Photonics, ученые из Великобритании и Японии предложили альтернативный принцип построения квантовой сети. Он позволяет обойтись и без связывания и без квантовой памяти. Данная схема предусматривает прямую передачу квантовой информации в закодированном виде, используя устройства, действующие как повторители (без связывания): принимающие данные и передающие их дальше. Соответственно, отказ от использования связывания освобождает данный метод от описанных выше ограничений, замедляющих функционирование квантовых сетей.

Согласно предложенной схеме, информация хранится в материальных кубитах, например, как электронный спин, приемного и передающего устройств. Передатчик, содержащий однофотонный источник, переносит информацию из материальных в фотонные кубиты. Затем он пересылает фотонные кубиты по оптическому волокну в приемник, имеющий однофотонный детектор. На приемной стороне все те же действия выполняются в обратном порядке, и данные оказываются снова в материальном кубите.

После завершения цикла итоговый материальный кубит проверяется на ошибки, с применением избыточного квантового кода четности. Неизбежная деградация квантовых состояний компенсируется использованием нескольких кубитов, несущих одну и ту же информацию. Подобная процедура, как показали исследователи, способна компенсировать потери более половины фотонов, что позволяет разнести узлы-ретрансляторы ещё дальше, чем считалось практичным до этого.

Согласно расчетам, новая коммуникационная схема может передавать информацию со скоростью 107 квантовых состояний в секунду при расстоянии между узлами не менее 17 км. Линия длиной 800 км, состоящая из 48 узлов, обеспечит пересылку квантовых данных с вероятностью успеха более 98%. В перспективе, ученые видят возможность превзойти альтернативные схемы по быстродействию на несколько порядков величины.

Ближайшие планы участников исследования предусматривают решение ряда практических проблем, стоящих на пути экспериментальной реализации предложенной схемы, в частности, улучшение эффективности работы квантовых шлюзов в узлах повторителей.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365