Будет ли электронная почта в будущем использоваться квантовым шифрованием? Сможем ли мы телепортировать квантовые состояния на большие расстояния с помощью обычных стекловолоконных кабелей? Охлаждаемые лазером атомы, соединенные со сверхтонкими стеклянными волокнами, идеально подходят для приложений в квантовой связи.
Исследователи из Венского технологического университета экспериментально продемонстрировали, что такие стеклянные волокна способны хранить квантовую информацию достаточно долго, чтобы их можно было использовать для запутывания атомов на расстоянии сотен километров друг от друга. Это составляет фундаментальный строительный блок для глобальной волоконно-оптической сети квантовой связи.Атомы и свет«В нашем эксперименте мы соединяем две разные квантовые физические системы», — объясняет Арно Раушенбойтель (Венский центр квантовой науки и технологий и Институт атомной и субатомной физики Венского технологического университета). «С одной стороны, мы используем световод с волоконным световодом, который идеально подходит для передачи квантовой информации от точки A к точке B, а с другой стороны, мы полагаемся на атомы, которые идеально подходят для хранения этой информации».Улавливая атомы на расстоянии около 200 нанометров от стеклянного волокна, которое само имеет диаметр всего 500 нанометров, можно реализовать очень сильное взаимодействие между светом и атомами.
Это позволяет обмениваться квантовой информацией между двумя системами. Этот обмен информацией лежит в основе таких технологий, как квантовая криптография и квантовая телепортация.
В настоящее время существуют разные подходы к выполнению квантово-механических операций и обмену квантовой информацией между световой и материальной памятью. Однако для многих из этих систем сложно эффективно хранить и извлекать информацию. Метод, разработанный в Венском технологическом университете, решает эту проблему напрямую: «Наша установка напрямую подключена к стандартному оптическому стекловолокну, которое в настоящее время обычно используется для передачи данных», — говорит Раушенбойтель. «Таким образом, будет легко интегрировать наш квантовый стекловолоконный кабель в существующие оптоволоконные сети связи».Надежная квантовая память
В прошлом исследователи уже продемонстрировали, что атомами можно управлять и эффективно связывать их со стеклянными волокнами. Однако до сих пор вопрос о пригодности волоконно-связанных атомов для хранения квантовой информации и для квантовой связи на большие расстояния оставался открытым. — Через некоторое время квантовая информация, хранящаяся в атомах, теряется, поскольку она просачивается в окружающую среду — эффект, называемый «декогеренцией».«Используя некоторые уловки, мы смогли увеличить время когерентности атомов до нескольких миллисекунд, несмотря на их небольшое расстояние до поверхности волокна», — объясняет Раушенбойтель. Свет в стеклянных волокнах проходит около 200 километров за одну миллисекунду.
Поскольку свет несет квантовую информацию, это определяет разделение, которое может быть преодолено такой системой через переплетение атомов.Реалистичная концепция глобальной квантовой сети
Даже в обычной электросвязи на основе стекловолокна диапазон распространения света ограничен: чем длиннее волокно, тем слабее сигнал. Чтобы решить эту проблему, в сеть добавляются ретрансляторы. Они усиливают оптические сигналы после определенного расстояния. Таким образом становится возможным глобальное общение.
Эта простая концепция усиления сигнала не может быть реализована в квантовой механике. Тем не менее, все еще возможно, хотя и с большим трудом, создавать так называемые «квантовые повторители».
Их можно использовать для связывания нескольких более коротких участков в одно длинное квантовое соединение. Арно Раушенбойтель уверен, что его метод многообещающий: «Используя нашу комбинированную систему из нановолокна и атома для создания оптической квантовой сети, включающей квантовые повторители, можно передавать квантовую информацию и телепортировать квантовые состояния по всему миру».