Квантовые технологии — это системы, которые могут обрабатывать данные, воспринимать окружающую среду или выполнять другие функции, используя квантово-механические эффекты. До сих пор было сложно соединить эти технологии на больших расстояниях, поскольку квантовая информация может легко запутаться или быть уничтоженной из-за декогеренции, возникающей в результате взаимодействия систем с окружающей средой.
В течение последних нескольких лет физики-квантовики и инженеры пытались разработать эффективные методы для надёжного создания квантовых сетей — инфраструктур, которые позволяют передавать квантовую информацию между различными устройствами.
Для реализации этих сетей требуются так называемые квантовые ретрансляторы — промежуточные станции, которые могут пересылать и перераспределять запутанные состояния, увеличивая расстояния, на которых устройства могут обмениваться данными.
Исследователи из Университета науки и технологий Китая недавно разработали новую промежуточную архитектуру ретранслятора, которая может быть более масштабируемой, чем другие ретрансляторы, представленные в более ранних исследованиях. Эта архитектура, описанная в статье, опубликованной в Nature Physics, позволила им реализовать безопасную квантовую связь между устройствами на расстоянии до 300 км.
«Наша работа была вдохновлена недавними достижениями в области квантового распределения ключей независимо от измерительного устройства (MDI-QKD), особенно схемой сопряжения мод, которая продемонстрировала потенциал для преодоления линейного предела скорости и потерь и значительного повышения отношения сигнал/шум в квантовой связи», — рассказал Phys.org один из соавторов статьи, Сюонффенг Ма.
«Это поставило перед нами центральный вопрос: можем ли мы расширить эту концепцию, введя дополнительные квантовые узлы для дальнейшего улучшения производительности?»
Хотя в принципе квантовые повторители должны быть легко масштабируемыми, большинство предложенных ранее систем квантовой связи полагаются на квантовые запоминающие устройства — устройства хранения данных, которые ещё не достигли результатов, позволяющих их использовать в реальных условиях. В рамках своего исследования Ма и его коллеги изучили альтернативный подход, который предполагает использование однофотонного источника в качестве квантового ретранслятора.
«Наша основная цель — разработать модульную и масштабируемую архитектуру квантовой сети, которая использует однофотонные источники вместе с измерениями, основанными на интерференции», — сказал Ян Лу.
«Этот подход позволяет осуществлять квантовую связь на большие расстояния без использования квантовых запоминающих устройств. В результате получилась пятиузловая сеть с тремя ненадёжными промежуточными узлами, демонстрирующая повышенную безопасность, гибкость и потенциал для использования в реальных условиях».
Архитектура, разработанная исследователями, позволит осуществлять квантовую связь на большие расстояния только при поддержке высококачественного однофотонного источника. По сути, это устройство, которое может надёжно выпускать один фотон (то есть световую частицу) за раз, обеспечивая точную передачу информации по сети.
Для реализации своей квантовой сетевой архитектуры Ма и его коллеги использовали современный однофотонный источник, который они представили в одной из своих предыдущих статей.
«Наша архитектура состоит из пяти узлов, — пояснил Ма. — Они включают двух конечных пользователей (Алису и Боба), кодирующих квантовую информацию в когерентные световые импульсы, центральный однофотонный источник, излучающий фотоны, которые разделяются на два пути, и два измерительных узла, где одиночные фотоны интерферируют с импульсами Алисы и Боба».
«Результаты интерференции обнаруживаются однофотонными детекторами, что обеспечивает передачу квантовой информации через постселекцию».
Новая архитектура квантовой связи, представленная этой группой исследователей, имеет заметные преимущества перед другими решениями, представленными в прошлом. Во-первых, они обнаружили, что их архитектура повышает отношение сигнал/шум, поскольку фотоны проходят более короткие расстояния по сети, что повышает её надёжность.
«Дальнейшие преимущества нашей архитектуры — модульность и масштабируемость, поскольку она позволяет беспрепятственно интегрировать дополнительные узлы для расширения сети», — сказал Тэн-Юнь Чен.
«Более того, промежуточные ретрансляторы не обязательно должны быть безопасными, что значительно снижает затраты на развёртывание и сложность. В ходе начальных испытаний мы достигли видимости интерференции выше 85% между одиночными фотонами и когерентными состояниями, что обеспечивает надёжную работу системы».
С помощью своего однофотонного источника Ма и его коллеги продемонстрировали высокое качество интерференции между одиночными фотонами и когерентными состояниями в системе квантовой связи. Примечательно, что это первый случай, когда такая интерференция была успешно использована для ретрансляции квантовой информации. Работа этой группы может открыть новые возможности для реализации квантовой связи на большие расстояния.
«С помощью нашей пятиузловой квантовой ретрансляционной сети с тремя ненадёжными промежуточными ретрансляторами мы достигли безопасного распределения ключей на расстоянии 300 км по оптоволокну», — сказал Ма.
«Мы также успешно интегрировали современный однофотонный источник на квантовых точках, работающий на частоте 304,52 МГц с почти полной неразличимостью, что необходимо для обеспечения надёжной и масштабируемой работы».
Это недавнее исследование может способствовать переходу от квантовых сетей с одноузловыми соединениями к многоузловым сетям. Устройства, используемые для реализации архитектуры команды, также совместимы с существующими оптоволоконными сетями, и их будет проще развернуть в реальных условиях.
В будущем архитектуру сети, разработанную командой, можно будет усовершенствовать и использовать для демонстрации безопасной квантовой связи на ещё больших расстояниях. В настоящее время исследователи пытаются увеличить расстояние связи, достижимое с помощью их архитектуры, более чем на 1 000 км, путём дальнейшего повышения видимости интерференции и снижения частоты ошибок.
«В рамках наших следующих исследований мы планируем реализовать более крупные и сложные топологии сети, такие как многоуровневые конфигурации типа «звезда», путём интеграции дополнительных однофотонных источников и измерительных узлов», — добавил Чен.
«Мы также решим критически важные технические задачи, включая спектральное перекрытие, временную синхронизацию и компенсацию фазового шума, путём разработки усовершенствованных схем стабилизации и синхронизации. Эти усовершенствования снизят ошибки, вызванные часами, и повысят надёжность квантовой связи на большие расстояния».
quantum physicists and engineers have been trying to devise effective techniques to reliably establish quantum networks, infrastructures that allow quantum information to travel between different devices.”,”The realization of these networks requires so-called quantum relays, intermediate stations that can forward and redistribute entangled states, extending the distances across which devices can communicate.”,”Researchers at the University of Science and Technology of China recently developed a new intermediate relay architecture that could be more scalable than other relays introduced in earlier studies. This architecture, outlined in a paper published in Nature Physics, allowed them to realize secure quantum communications between devices that are up to 300 km apart.”,”\”Our work was inspired by recent advances in measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD), particularly the mode-pairing scheme, which demonstrated the potential to break the linear rate–loss limit and significantly enhance the signal-to-noise ratio in quantum communication,\” Xiongfeng Ma, co-senior author of the paper, told Phys.org.”,”\”This raised a central question for us: could we extend this concept by introducing additional quantum nodes to further improve performance?\””,”While in principle quantum repeaters should be easy to scale up, most quantum communication systems proposed so far rely on quantum memories, data storage devices that have not yet reached the results that would enable their real-world deployment. As part of their study, Ma and his colleagues thus explored an alternative approach, which entails the use of a single-photon source as a quantum relay.”,”\”Our main objective was to design a modular and scalable quantum network architecture that leverages single-photon sources together with interference-based measurements,\” said Yang Lu.”,”\”This approach allows long-distance quantum communication without relying on quantum memories. The result is a five-node network with three untrusted intermediate nodes, demonstrating improved security, flexibility, and potential for real-world deployment.\””,”The architecture envisioned by the researchers would only enable quantum communications over long distances if supported by a high-quality single-photon source. This is essentially a device that can reliably release one photon (i.e., light particle) at a time, ensuring the precise transfer of information across a network.”,”To realize their quantum network architecture, Ma and their colleagues used a state-of-the-art single-photon source that they had introduced in one of their earlier papers.”,”\”Our architecture consists of five nodes,\” explained Ma. \”These include two end-users (Alice and Bob) encoding quantum information onto coherent light pulses, a central single-photon source emitting photons that are split into two paths, and two measurement nodes where the single photons interfere with Alice’s and Bob’s pulses.”,”\”The interference outcomes are detected by single-photon detectors, enabling quantum information transfer through post-selection.\””,”The new quantum communications architecture introduced by this team of researchers has notable advantages over other solutions introduced in the past. Firstly, they found that their architecture enhances the signal-to-noise ratio, as photons travel shorter distances across the network, which improves its reliability.”,”\”Further advantages of our architecture are its modularity and scalability, as it enables the seamless integration of additional nodes to expand the network,\” said Teng-Yun Chen.”,”\”Moreover, intermediate relays need not be secure, greatly reducing deployment cost and complexity. In initial tests, we attained an interference visibility above 85% between single photons and coherent states, ensuring robust performance of the system.\””,”With their single-photon source, Ma and their colleagues demonstrated high-quality interference between single photons and coherent states in a quantum communication system.”,”Notably, this is the first time that such an interference was successfully used to relay quantum information. This team’s work could thus open new possibilities for the realization of long-distance quantum communication.”,”\”With our five-node quantum relay network with three untrusted intermediate relays we achieved secure key distribution over 300 km of fiber,\” said Ma.”,”\”We also successfully integrated a state-of-the-art quantum dot single-photon source, operating at 304.52 MHz with near-unity indistinguishability, which is essential for ensuring robust and scalable performance.\””,”This recent study could contribute to a shift between quantum networks with single-node connections to multi-node networks. The devices used to realize the team’s architecture are also compatible with existing fiber networks and could thus be easier to deploy in real-world settings.”,”In the future, the network architecture devised by the team could be improved further and used to demonstrate secure quantum communications across even longer distances. Currently, the researchers are trying to extend the communication distances attainable using their architecture beyond 1,000 km, by further improving interference visibility and reducing error rates.”,”\”As part of our next studies, we plan to realize larger and more complex network topologies, such as multi-layer star configurations, by integrating additional single-photon sources and measurement nodes,\” added Chen.”,”\”We will also address critical technical challenges, including spectral overlap, temporal synchronization, and phase noise compensation, through the development of advanced stabilization and synchronization schemes. These improvements will reduce clock-induced errors and enhance the robustness of long-distance quantum communication.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник