Разговоры о будущем были бы неполными без упоминания квантовых технологий, которые должны, по заявлению ученых, буквально перевернуть с ног на голову вычисления, передачу данных, кодирование информации и многое другое. На данный момент вокруг квантовых технологий роится великое множество теорий, которые, к сожалению, не были проверены на практике. Одной из таких теорий является квантовый интернет, которые должен позволить обмениваться данными, передаваемыми с помощью фотонов в разных квантовых состояниях. Ученым из Гарвардского университета (США) удалось на практике доказать эту теорию, используя существующую оптоволоконную сеть в районе Бостона, чтобы продемонстрировать самое длинное в мире расстояние между двумя узлами квантовой памяти. Как именно ученым это удалось, что для этого потребовалось, и как результаты опытов помогут развитию квантовой передаче данных? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Распределение квантовой запутанности между узлами квантовой памяти, разделенными большими расстояниями, является важным элементом реализации квантовых сетей, открывающим возможности потенциальных приложений, начиная от квантовых повторителей и защищенной связи на больших расстояниях и заканчивая распределенными квантовыми вычислениями. Предлагаемые архитектуры требуют квантовых узлов, содержащих несколько долгоживущих кубитов, которые могут собирать, хранить и обрабатывать информацию, передаваемую по фотонным каналам на основе телекоммуникационных или спутниковых каналов.

Поскольку фотоны и отдельные кубиты материи слабо взаимодействуют в свободном пространстве, многообещающим подходом к усилению взаимодействия между светом и коммуникационными кубитами является использование квантово-электродинамических (QED от quantum electrodynamic) систем с нанофотонным резонатором, в которых жесткое ограничение света внутри наноструктуры обеспечивает сильные взаимодействия между фотонами и коммуникационными кубитами.

Несколько экспериментов продемонстрировали удаленную запутанность в системах от нейтральных атомов и захваченных ионов до полупроводниковых квантовых точек и центров азотных вакансий в алмазе. Однако реальные приложения требуют сочетания эффективной связи фотонов, долговременной памяти и многокубитных операций с практическими телекоммуникационными оптоволоконными сетями, что является сложной задачей.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые реализовали двухузловую квантовую сеть между двумя многокубитными узлами, состоящими из центров кремниевых вакансий (SiV от silicon-vacancy) в алмазе, связанных с нанофотонными резонаторами. SiV, связанные с резонаторами, стали многообещающей платформой квантовой сети, продемонстрировав квантовую связь с расширенной памятью и надежную работу с несколькими кубитами в одном узле. Ученые расширили эти одноузловые эксперименты, демонстрируя генерацию удаленной запутанности между двумя электронными спинами в двух пространственно разделенных центрах SiV с частотой успеха до 1 Гц. Данный подход использует последовательные операции спин-фотонного вентиля с кубитами временного интервала для надежного запутывания отдельных узлов и не требует фазовой стабильности по всей линии связи. Чтобы продемонстрировать возможность развертывания квантовых сетей с использованием исследуемой платформы, ученые использовали двунаправленное квантовое преобразование частоты (QFC от quantum frequency conversion) для преобразования длины волны фотонных кубитов в длины волн телекоммуникаций. В итоге ученым удалось создать квантовую сеть с удаленным запутыванием, используя оптоволоконное соединение длиной 40 км с минимальными потерями.

Результаты исследования

Изображение №1

Узлы квантовой сети состоят из SiV-центров в алмазе, которые находятся в индивидуально управляемых холодильниках в отдельных лабораториях (1a). Путем избирательной имплантации изотопа ²⁹Si в алмазную подложку каждый SiV детерминированно содержит два адресуемых спиновых кубита: один электронный спин, используемый в качестве коммуникационного кубита, который тесно связан со странствующими фотонами, и один долгоживущий ядерный спин ²⁹Si, используемый в качестве кубита памяти для хранения запутанности. Под внешним магнитным полем зеемановские подуровни определяют состояния электронного спинового кубита (|↓_e⟩, |↑_e⟩) и состояния ядерного спинового кубита (|↓_n⟩, |↑_n⟩) (слева на 1b).

Эффект Зеемана* — расщепление линий атомных спектров в магнитном поле. Эффект обусловлен тем, что в присутствии магнитного поля электрон, обладающий магнитным моментом, приобретает дополнительную энергию. Приобретенная энергия приводит к снятию вырождения атомных состояний по полному квантовому числу и расщеплению атомных спектральных линий.

Микроволновые импульсы используются для управления электронными переходами с переворотом спина, тогда как радиочастотные импульсы управляют ядерными переходами с переворотом спина. Центры SiV встроены в нанофотонные алмазные полости, которые усиливают взаимодействие между светом и спином электрона. Сильная связь эмиттер-резонатор, характеризующаяся однофотонной кооперативностью в узле A, равном 12.4, и узле B, равном 1.5, приводит к зависимому от спина электрона коэффициенту отражения резонатора (справа на 1b). Это можно использовать для создания спин-фотонного вентиля на основе отражения (e-γ-вентиль), который содержит последовательность быстрых микроволновых вентилей, генерирующих запутывание между электронным спином SiV и фотонными кубитами. Более того, воспользовавшись сильной связью между электронным спином SiV и ядерным спином ²⁹Si, можно создать запутывание ядро-фотон с помощью вентиля фотон-ядерного запутывания (PHONE от photon–nucleus entangling). Два узла соединены либо напрямую оптическим волокном длиной a ≈ 20 метров (1a), либо значительно более длинной оптоволоконной линией связи (4a).


Изображение №2

Ученые использовали конфигурацию последовательной сети для создания удаленной запутанности между спинами электронов в узле A и узле B, опосредованной фотонным кубитом с временным интервалом (2a). Сначала был использован вентиль e–γ для генерации запутанного состояния Белла* между спином электрона ↓e^A_e узла A и входящим фотонным кубитом ∣e⟩, ∣l⟩. Здесь ∣e⟩ и ∣l⟩ описывают наличие фотона в ранних и поздних временных интервалах фотонного кубита, которые разделены δt = 142 нс соответственно.

Состояние Белла* — определенное состояние двух кубитов; простейший пример квантовой запутанности.

Полученное фотонно-электронное состояние Белла можно описать как ∣Photon, SiV A⟩ = (|e↓^A_e⟩ + |l↑ ^A_e⟩) / √2. После этого фотонный кубит перемещается по оптическому волокну в узел B, в котором второй e-γ-вентиль запутывает фотонный кубит со спином электрона в узле B. В идеальном случае без потерь результирующее состояние представляет собой трехчастичное состояние Гринбергера-Хорна-Цайлингера* (GHZ от Greenberger– Horne–Zeilinger):



где |±⟩ = (|e⟩ ± |l⟩) / √2 — описывает два ортогональных состояния суперпозиции фотонного кубита.

Состояние Гринбергера-Хорна-Цайлингера* — состояние квантовой запутанности, которое включает по крайней мере три подсистемы (состояния частиц, кубиты или кудиты).

|Φ^±_ee⟩ = (|↓^A_e↓^B_e⟩ ± |↑^A_e↑^B_e⟩) / √2 — описывает максимально запутанные состояния Белла двух пространственно разделенных электронных спинов. Фотонный кубит измеряется в базисе |±⟩ с использованием TDI (от time-delay interferometer, т. е. интерферометр с задержкой времени), чтобы объявить о генерации электронного состояния Белла:



Стоит учесть, что, как и ранее использовавшиеся одноузловые схемы, этот метод устойчив к потере фотонов, поскольку любые потери могут быть обнаружены по отсутствующему сигнальному событию. Кроме того, основным преимуществом описываемой последовательной схемы является то, что как ранние, так и поздние временные интервалы фотонного кубита проходят по одному и тому же пути, поэтому не требуется никакой блокировки фазы или поляризации, чтобы гарантировать высокий интерференционный контраст в TDI. Это снижает требования к стабильности системы по сравнению с однофотонными схемами, которые обычно требуют интерферометрического измерения двух испускаемых фотонов, движущихся по двум стабилизированным траекториям, и позволяет избежать снижения скорости запутывания, обычно присутствующего в двухфотонных схемах. Кроме того, увеличение количества сетевых узлов до более чем двух может быть достигнуто либо путем последовательного подключения более двух узлов, либо путем использования сети коммутации между несколькими узлами для создания попарной связи.

Поскольку центры ²⁹SiV, связанные с резонатором, обладают неоднородным распределением частот оптических переходов около 50 ГГц с центром около 406.640 ТГц (737.2 нм), разность частот между узлами должна быть согласованно устранена. Например, для узла B оптическая частота ω_B SiV отстроена от частоты узла A (ω_A) на Δ_ω = 13 ГГц. Чтобы решить эту проблему, ученые подготовили фотонный кубит на частоте ω_A, а затем когерентно сдвинули его частоту на Δ_ω после того, как он взаимодействовал с SiV в узле A, либо с помощью электрооптического сдвига частоты, либо с помощью двунаправленного QFC.

Чтобы продемонстрировать основные принципы работы сети, ученые предлагают для начала внимательно рассмотреть узлы, соединенные напрямую оптоволокном длиной (a) около 20 метров. Вышеупомянутый протокол применяется с использованием слабых когерентных состояний (WCS от weak coherent state, со средним числом фотонов μ = 0.017) для кодирования кубитов. После того как измерение TDI указывает на генерацию Белл-состояния, однокубитные вращения и последующее считывание спина электрона в каждом узле реализуют измерение корреляций ⟨σ^A_iσ^B_i⟩, i ∈ {x, y, z}, которые были сокращены до XX, YY и ZZ соответственно.

На 2b показаны результаты корреляционных измерений, из которых были извлечены достоверность результирующего состояния электрон-электрон по отношению к максимально запутанным состояниям Белла, что однозначно демонстрирует запутанность между двумя узлами. Наблюдаемая разница в точности обусловлена одним источником неточности, связанным с несовершенным контрастом отражения двух SiV, связанных между собой резонаторами. Это приводит к отражению фотонного кубита, даже когда спин электрона находится в состоянии с низкой отражательной способностью.

Дополнительные источники ошибок включают вклады фоковских состояний WCS с числом фотонов 2 или выше, используемых в качестве фотонных кубитов. Варьируя среднее число фотонов (μ) в WCS, можно увеличить скорость генерации запутанности за счет снижения точности генерируемого состояния (2c).


Изображение №3

Ученые отмечают, что для распространения удаленной запутанности на большие расстояния требуется способность сохранять запутанность достаточно долго, чтобы сигнал, полученный в узле B, можно было классически передать в узел A. Времена когерентности электронных спинов в узлах A и B составляют 125 мкс и 134 мкс соответственно. Если предположить, что классическая связь осуществляется с использованием оптических волокон в телекоммуникационном диапазоне, декогеренция спинов электронов ограничит расстояние между узлами примерно до 25 км. Чтобы преодолеть это ограничение, ученые показали генерацию удаленной запутанности между двумя ядрами ²⁹Si, которые представляют собой долгоживущую квантовую память со временем хранения более 2 секунд. Аналогично генерации запутанности электрон-электрон, удаленная ядерная запутанность опосредована фотонным кубитом (3a). Таким образом, первым шагом последовательности создания удаленной запутанности является создание запутанности между фотонным кубитом и ядерным спином ²⁹Si в узле A. Это достигается с помощью вентиля PHONE, который использует только микроволновые импульсы для прямого запутывания ядерного спина ²⁹Si с фотонным кубитом без необходимости обмена квантовой информацией с электронного на ядерный спин. После применения вентиля PHONE на SiV в узле A и фотонного кубита в идеальном пределе их квантовое состояние будет следующим:



Это означает, что, если не произошла ошибка микроволнового вентиля, спин электрона распутан от ядерного спина и находится в состоянии ∣↓^A_e⟩. Таким образом, спин электрона можно использовать в качестве флагового кубита для обнаружения ошибок путем отмены измерения, когда спин электрона измеряется в ∣↑^A_e⟩. Путем выполнения второго вентиля PHONE между ядерным спином ²⁹Si узла B и кубитом и последующим измерением фотонного кубита в базисе |±⟩ создаются ядерные состояния Белла ∣Φ^±_nn⟩. После генерации запутанности выполнялись развязывающие последовательности типа XY8 на обоих ядрах, чтобы защитить состояние Белла ядро-ядро от декогеренции, вызванной квазистатической средой. На 3b показаны корреляции вероятностей результирующего состояния ∣Φ^-_nn⟩ с использованием последовательности развязки XY8-1 с общим временем развязки ядерных спинов 10 мс.

На 3c показана точность состояния Белла для более длительного общего времени ядерной развязки. Выполняя последовательности развязки XY8–128, запутанность можно сохранять до 500 мс, а применение обнаружения ошибок дополнительно увеличивает это время до 1 секунды.


Изображение №4

Стоит учесть, что свет на резонансной длине волны SiV (737 нм) испытывает высокие потери в волокне — до 4 дБ/км, что ограничивает диапазон распространения удаленного запутывания на этой длине волны. Чтобы сделать исследуемую квантовую сеть совместимой с существующими классическими инфраструктурами связи, в которых используются оптические волокна с низкими потерями, ученые использовали двунаправленный QFC в и из телекоммуникационного O-диапазона (4a). После того как фотонный кубит с длиной волны 737 нм отражается от SiV узла A, волоконно-связанный волновод PPLN, накачиваемый светом с длиной волны 1623 нм, преобразует длину волны фотонного кубита в 1350 нм. Эта частота находится в телекоммуникационном O-диапазоне и имеет низкое затухание (<0,3 дБ/км) в обычном одномодовом волокне. После преобразования с понижением частоты фотонный кубит отправляется по телекоммуникационному волокну различной длины, прежде чем вторая PPLN преобразует его обратно с повышением частоты до 737 нм. Это двунаправленное преобразование частоты позволяет напрямую устранить разницу частот.

Используя эту схему преобразования частоты вместе с описанным выше методом запутывания (3a), ученым удалось достичь запутываем двух ядер ²⁹Si через оптоволокно длиной до 40 км с низкими потерями (4b).

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые объединили квантовую запутанность и оптоволоконные сети для создания квантовой сети передачи информации.

Ученым удалось создать практическую реализацию первого квантового Интернета, соединив два узла квантовой памяти с помощью оптоволокна длиной 40 км. Каждый узел представляет собой очень маленький квантовый компьютер, сделанный из кусочка алмаза, имеющего дефект в атомной структуре, называемый центром кремниевых вакансий. Внутри алмаза разные структуры усиливают взаимодействие между центром кремниевой вакансии и светом.

По словам ученых, их исследование является важным шагом к практической реализации квантового Интернета, использующего уже имеющуюся сетевую инфраструктуру. В будущем ученые намерены усовершенствовать свою систему, увеличив число узлов, а также провести новые эксперименты с большим количеством сетевых протоколов.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?