Інформація про квантову заплутаність може передаватися через квантовий ретранслятор на основі фотонів довжиною 50 км, захоплених іонів. За останні 50 років комунікаційні мережі повністю змінили наше суспільство, і зараз нам важко уявити життя без них. Вчені в захваті від можливості підключення квантових пристроїв до мереж завдяки останнім досягненням у квантових технологіях. Квантовий зв’язок на великій відстані віщує можливості можливостей, недоступних у традиційних мережах. Квантові мережі обмінюються сигналами на рівні одного фотона, щоб повною мірою скористатися перевагами заплутаності та інших квантових ефектів. Отже, основною причиною відмови в цих системах є загасання волокна.
Однак втрати фотонів можна уникнути, використовуючи групу проміжних мережевих вузлів, відомих як квантові повторювачі, які безпосередньо заплутують два розсіяні вузли сітки. Сплутування двох вузлів сітки, розділених 32 м, нещодавно було досягнуто за допомогою квантового повторювача на основі азотних пустотних центрів в алмазі. Використовуючи захоплені іони як квантові повторювачі, Віктор Крутянський з Університету Інсбрука в Австрії та його колеги змогли об’єднати два переплутаних зв’язки довжиною 25 км в єдине з’єднання довжиною 50 км. Ця відстань є тією відстанню, яку потребують функціональні квантові мережі в реальному світі.
Важливість успіху Крутянського та його колег можна зрозуміти, враховуючи три ідеальні властивості, якими повинні володіти функціональні квантові повторювачі. Перший з них – мати доступ до квантової пам’яті [5]. Метод генерації віддаленого заплутування є невизначеним через втрату фотонів та інші невідповідності обладнання. Якби наскрізне з’єднання можна було встановити лише за умови успішного одночасного встановлення всіх з’єднань на короткій відстані, загальний рівень успішності був би експоненціально малим. Квантова пам’ять зберігає заплутаність на короткій відстані, дозволяючи невдалим з’єднанням повторювати спроби заплутування.
«Доповнення» заплутаності залежить від третьої бажаної властивості. Фіксована квантова пам'ять і «літаючий» фотон, що летить по волокну, сплутуються завдяки повторювача. Він повторює процес, використовуючи нову пам’ять для створення другого літаючого фотона. Два окремих заплутаних зв’язку створюються шляхом надсилання двох фотонів до двох різних віддалених вузлів мережі. Потім повторювач використовує процес, відомий як заміна заплутаності, щоб об’єднати ці зв’язки. Щоб підтримувати безцінний загальний рівень успіху наскрізного заплутування, процес дефрагментації має бути детермінованим, а не ймовірнісним.
Ці три функції Крутянський і його команда об’єднали в єдину систему. Вони також розгорнули заплутаність між двома мережевими вузлами A і B, які знаходяться на відстані 50 км один від одного, що є відповідною відстанню для практичного використання квантових мереж. Команда змогла досягти цього результату, захопивши два іони кальцію 40Ca+ і використавши їх як дві квантові пам’яті. Два іони спочатку ініціалізуються до свого основного стану, а потім неодноразово освітлюються лазерними імпульсами як частина протоколу повторювача. Іони отримують достатньо енергії від лазера, щоб піднятися до вищого енергетичного стану. У результаті подальшого розпаду іонів кожен іон випромінює фотон, який утримує іонно-фотонну пару заплутаною.
Фотони збираються в перетворювач довжини хвилі, пристрій, який перетворює вихідну довжину хвилі випромінюваних фотонів у відповідну довжину хвилі телекомунікацій для їх подальшого переміщення. Потім два фотони направляються до вузлів A і B за допомогою котушок оптичного волокна довжиною 25 км. Іонно-фотонне заплутування потім перетворюється ретранслятором у фотон-фотонне заплутування, що охоплює 50 км, виконуючи детерміновану заміну заплутаності на двох іонах, які він утримує.
Багаторазово повторюючи розподіл заплутаності та вимірюючи фотони у вузлах A і B, томографія стану може визначити остаточний фотон-фотонний стан і створити статистичну міру того, наскільки достовірним є спільний фотон-фотонний стан.
Ідеальна ідеальна ситуація представлена вірністю одиниці. Вузли A і B змогли досягти заплутування з частотою успіху 9,2 Гц і ймовірністю успіху 9,2 на випробування, що призвело до точності 104. Ця точність набагато вища, ніж 0,72, необхідна для заплутування фотонів. Дослідники також провели експеримент, у якому фотон-фотонне заплутування було розподілено на відстань 0,5 км без використання ретранслятора. Переваги використання методів із підтримкою ретранслятора чітко демонструються низьким рівнем успіху 50 Гц. На робочих відстанях експерименту ця перевага може здатися незначною. Однак на відстанях понад 6,7 км рівень успіху різко падає, якщо немає ретрансляторів.
У своєму аналізі команда Інсбрука врахувала, наскільки кращими повинні бути експериментальні налаштування для кількох пов’язаних ретрансляторів, щоб охопити наскрізну відстань у 800 км. Дивно, але в багатьох функціях потрібно внести небагато змін. Найбільш суттєве вдосконалення вимагає недетермінований модифікатор заплутування фотонів, необхідний для з’єднання кількох повторювачів. Дослідники наводять вагомі аргументи щодо того, чому ці покращення є можливими в найближчому майбутньому.
Нещодавно відбулися захоплюючі експериментальні приклади квантової комунікації. У світлі можливостей дальнього зв’язку, продемонстрованих у цих дослідженнях, стає очевидним, що квантові мережі швидко просуваються від теоретичних концепцій до практичних застосувань. Дуже важливо пам’ятати два важливі уроки, отримані з Інтернету, який є традиційною мережею. Перш за все, мати хороше обладнання недостатньо для забезпечення зв’язку в глобальному масштабі. Однак потрібна надійна архітектура програмного забезпечення. По-друге, хороше програмне забезпечення потребує багато часу для дозрівання. Щоб апаратне та програмне забезпечення працювали в тандемі, фізики та технологи співпрацюють, щоб створити власні протоколи канального рівня та повну архітектуру для квантового Інтернету майбутнього.
Джерело: physics.aps.org/articles/v16/84
Günceleme: 23/05/2023 12:58