На пути к квантовым сетям

Физики из Университета Людвига Максимилиана (LMU) в Мюнхене вместе с коллегами из Саарского университета успешно продемонстрировали перенос запутанного состояния между атомом и фотоном через оптическое волокно на расстояние до 20 км, установив таким образом новый рекорд.

«Запутывание» описывает очень специфический тип квантового состояния, которое не является свойством одной отдельной частице, но разделяется между двумя разными частицами. Это безвозвратно связывает их последующие судьбы вместе - независимо от того, насколько далеко они друг от друга - что заставило Альберта Эйнштейна красочно назвать это явление «жутким действием на расстоянии».
Запутывание стало краеугольным камнем новых технологий, основанных на квантовых эффектах, и является распределением на большие расстояния, что является центральной целью квантовой связи.

Теперь исследователи LMU во главе с физиком Харальдом Вайнфуртером (Harald Weinfurter) в сотрудничестве с командой из Университета Саара в Саарбрюккене показали, что запутанное состояние атома и фотона может передаваться через оптическое волокно (подобно тем, которые используются в телекоммуникационных сетях) на расстояние до 20 км. Предыдущий рекорд был 700 метров. «Эксперимент представляет собой веху, поскольку достигнутое расстояние подтверждает, что квантовая информация может распространяться в больших масштабах с небольшими потерями, - говорит Вайнфуртер. - Поэтому наша работа представляет собой решающий шаг к будущей реализации квантовых сетей».

Квантовые сети в основном состоят из квантовой памяти (состоящей, например, из одного или нескольких атомов), которые действуют как узлы, и каналов связи, по которым фотоны могут распространяться, чтобы связать узлы вместе. В своем эксперименте исследователи запутали атом рубидия с фотоном и смогли обнаружить запутанное состояние - которое теперь разделяет квантовые свойства обеих частиц - после его прохождения через 20-километровую катушку оптического волокна.

Самая большая проблема, с которой столкнулись экспериментаторы, связана со свойствами атома рубидия. После целевого возбуждения эти атомы испускают фотоны с длиной волны 780 нм в ближней инфракрасной области спектра. «В оптическом волокне из стекла свет на этой длине волны быстро поглощается», - объясняет Вайнфуртер. Поэтому обычные телекоммуникационные сети используют длины волн около 1550 нанометров, что заметно снижает потери при транспортировке.

Очевидно, что эта длина волны также повысила бы шансы экспериментаторов на успех. Поэтому Матиас Бок (Matthias Bock), член группы в Саарбрюккене, создал так называемый квантовый преобразователь частоты, который был специально разработан для увеличения длины волны излучаемых фотонов с 780 нм до 1520 нм. Эта задача сама по себе поставила ряд чрезвычайно сложных технических проблем. Необходимо было обеспечить, чтобы происходило преобразование только из одного фотона в только один другой фотон, и чтобы ни одно из других свойств запутанного состояния, особенно поляризация фотона, не изменялось в процессе преобразования. В противном случае запутанное состояние будет потеряно. «Благодаря использованию этого высокоэффективного преобразователя мы смогли поддерживать запутанное состояние в гораздо более длинном диапазоне на телекоммуникационных длинах волн и, следовательно, передавать квантовую информацию, которую оно переносит на большие расстояния», - сказал Вайнфуртер.

На следующем этапе исследователи планируют преобразовать по частоте свет, излучаемый вторым атомом, что должно позволить им генерировать запутывание между двумя атомами по длинным телекоммуникационным волокнам. Свойства стекловолоконных кабелей различаются в зависимости от таких факторов, как температура и деформация, которым они подвергаются. По этой причине команда намерена сначала провести этот эксперимент в контролируемых условиях в лаборатории. В случае успеха будут проведены полевые эксперименты с добавлением новых узлов в растущую сеть. В конце концов, даже длительные путешествия могут быть полностью успешными, если осуществлять их шаг за шагом.

Изображение одноатомной ловушки. В сверхвысоковакуумной стеклянной ячейке захватывается один атом рубидия, который позже будет запутан с фотоном