Ключом к квантовому интернету является передача запутанных фотонов — частиц с одинаковыми квантовыми характеристиками, которые защитят данные и обеспечат распределённые квантовые вычисления. Но запутанность сложно сохранить даже в стерильных лабораторных условиях не говоря о передаче по обычным городским коммуникациям. Американским физикам кое-что удалось — они впервые передали запутанные фотоны на 62 км по обычным линиям надземной связи.

Канал связи был организован между Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) в Гейтерсберге и Университетом Мэриленда в Колледж-Парке. Особенность эксперимента заключалась не столько в расстоянии, сколько в условиях: около 70 % линии проходило по воздушным кабелям, подвешенным на столбах и подверженным ветру, перепадам температуры, вибрациям от транспорта и другим внешним воздействиям. Такие возмущения постоянно меняют двулучепреломление волокна и, соответственно, поляризацию проходящего света, что особенно опасно для квантовых состояний. Эксперимент показал, что даже на столь нестабильной инфраструктуре поляризационную запутанность можно поддерживать достаточно долго для работы будущей квантовой сети.

Источник в лаборатории NIST создавал пары фотонов в запутанном состоянии Белла Φ+, при котором их горизонтальная и вертикальная поляризации были квантово коррелированы. Фотоны пары разделялись по длинам волн: сигнальный фотон с центром оставался в NIST, а второй отправлялся по 62-километровому волокну в Университет Мэриленда. Потери непосредственно в линии достигали примерно 18 дБ, ещё около 3 дБ добавляли разъёмы и аппаратура для поддержки поляризации. Фотоны регистрировались сверхпроводниковыми нанопроволочными однофотонными детекторами с эффективностью более 70 %. При локальном измерении источник давал около 200 тыс. пар в секунду, а после прохождения линии исследователи регистрировали примерно 1500 совпадающих пар в секунду.

Главным вызовом стала непрерывная компенсация изменений поляризации. Для её стабилизации исследователи через линию периодически пропускали опорный лазерный сигнал мощностью около 0,5 мВт на той же длине волны 1549,32 нм, что и передаваемые квантовые фотоны. Система измеряла преобразование нескольких эталонных состояний поляризации и с помощью алгоритма восстанавливала её. При снижении достоверности эталонных состояний ниже 98 % запускалась коррекция до уровня более 99 %. Квантовая передача и калибровочный лазер работали попеременно во времени, чтобы яркий опорный сигнал не мешал регистрации одиночных фотонов.

Во время суточного эксперимента система тратила на коррекцию поляризации только 7,2 % времени, оставляя 92,8 % времени для передачи запутанных фотонов. При отключённой стабилизации передача запутанного состояния сильно теряла в качестве и больше не восстанавливалась. Тем самым главный вывод после проделанной работы гласит, что даже существующая кабельная инфраструктура невысокого качества допускает передачу запутанных состояний и, как следствие, работу квантового интернета. Но над скоростью передачи надо работать — этого тоже никто не скрывает.

Источник:

Материалы по теме

Материалы по теме