Науковці з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) та Університету Мериленду вперше передали заплутані фотони на відстань 62 км звичайними надземними лініями зв’язку, майже 70% яких пролягали повітряними кабелями на стовпах, повідомляє Science Alert.
Заплутані фотони — частинки з однаковими квантовими характеристиками — вважаються ключовим елементом майбутнього квантового інтернету. Вони мають захистити дані під час передачі та забезпечити роботу розподілених квантових обчислень. Підтримувати заплутаність складно навіть у стерильних лабораторних умовах. Торік інженери Пенсильванського університету вже передавали квантові дані через звичайне оптоволокно за допомогою протоколу IP. Але передача заплутаних фотонів саме міськими надземними лініями донедавна лишалася відкритим питанням.
Канал зв’язку в експерименті з’єднав лабораторію NIST у Гейтерсберзі з Університетом Мериленду в Коледж-Парку. Головна складність полягала не у відстані, а в умовах. Підвішені на стовпах кабелі схильні до вітру, перепадів температури та вібрацій від транспорту. Такі зовнішні впливи постійно змінюють двопроменеве заломлення волокна, а разом із ним і поляризацію світла. Це особливо небезпечно для крихких квантових станів.
Джерело в лабораторії NIST створювало пари фотонів у заплутаному стані Белла Φ+. У ньому горизонтальна та вертикальна поляризації обох фотонів квантово корельовані. Фотони пари розділяли за довжинами хвиль — сигнальний фотон залишався в NIST, а другий надсилали по 62-кілометровому волокну до Мериленду. Втрати безпосередньо в лінії сягали приблизно 18 дБ. Ще близько 3 дБ додавали роз’єми та апаратура для підтримки поляризації.
Підписуйтесь на Mediasat у Telegram: тут найцікавіші новини ТБ та телекому
Для реєстрації фотонів дослідники використали надпровідні нанодротові однофотонні детектори з ефективністю понад 70%. Під час локального вимірювання джерело генерувало близько 200 тис. пар фотонів за секунду. Після проходження лінії команда фіксувала лише приблизно 1500 збіжних пар за секунду.
Найбільшим викликом стала безперервна компенсація змін поляризації. Для стабілізації дослідники періодично пропускали через лінію опорний лазерний сигнал потужністю близько 0,5 мВт. Він мав ту саму довжину хвилі 1549,32 нм, що й квантові фотони. Система вимірювала спотворення кількох еталонних станів поляризації та відновлювала їх за допомогою алгоритму. Коли вірогідність опускалася нижче 98%, система запускала корекцію до рівня понад 99%. Квантову передачу та калібрувальний лазер вмикали почергово. Це потрібно, щоб яскравий опорний сигнал не заважав реєстрації поодиноких фотонів.
Під час добового експерименту система витрачала на корекцію поляризації лише 7,2% часу. Решта 92,8% припадала на власне передачу заплутаних фотонів. Коли стабілізацію вимикали, якість заплутаного стану різко погіршувалася і вже не відновлювалася самостійно. Дослідники доходять висновку, що навіть наявна кабельна інфраструктура невисокої якості придатна для передачі заплутаних станів. А отже, вона здатна забезпечити роботу майбутнього квантового інтернету — хоча над швидкістю передачі команді ще належить працювати.
Технологію заплутаних фотонів опрацьовують і для космічної інфраструктури. Boeing цього літа завершила наземні випробування супутника Q4S, який генерує одразу чотири заплутані фотони. Це дає змогу об’єднувати окремі пари фотонів у єдину мережу — так звану «перестановку заплутаності». Запуск апарата заплановано на 2027 рік.
Практичну розбудову квантової інфраструктури на оптоволокні паралельно веде і Європа. Латвія та Литва будують транскордонну мережу Lat-LitQN — квантово захищене з’єднання Рига — Вільнюс завдовжки близько 300 км у межах європейської ініціативи EuroQCI.
Ширшу архітектуру майбутнього квантового інтернету тим часом розробляють IBM та Cisco. Компанії анонсували спільний проєкт з об’єднання десятків тисяч кубітів у єдину мережу квантових обчислень, який планують завершити до кінця 2030-х років.
