Представьте себе преимущества, если бы весь интернет получил обновление, меняющее правила игры в плане скорости и безопасности. Именно это обещает квантовый интернет — передовая система, использующая для работы одиночные фотоны. Исследователи из Университета Тохоку разработали новый фотонный маршрутизатор, который может направлять одиночные и квантово-запутанные фотоны с беспрецедентным уровнем эффективности. Этот прорыв в квантовой оптике приближает нас к тому, чтобы квантовые сети и фотонные квантовые технологии следующего поколения стали повседневной реальностью.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Quantum Technologies 2 сентября 2025 года.
Фотоны — основа многих новых квантовых приложений, от защищённой связи до мощных квантовых компьютеров. Чтобы эти технологии стали практичными, фотоны должны передаваться быстро и надёжно, без нарушения хрупких квантовых состояний, которые они несут.
Поляризация и квантовая информация
Поляризация, ориентация электрического поля фотона, — один из наиболее распространённых способов кодирования квантовой информации. Однако до сих пор ни одно устройство не могло маршрутизировать фотоны произвольной поляризации на телекоммуникационных длинах волн с одновременно низкими потерями и высокой точностью.
Исследовательская группа под руководством профессора Фумихиро Канеды из Высшей школы естественных наук Университета Тохоку преодолела эту проблему, разработав новый электрооптический маршрутизатор. Этот маршрутизатор оснащён компактным специально разработанным интерферометром, где оптические пути образуют параллелограмм вместо обычного прямоугольника. Такая конструкция обеспечивает сохранение поляризации всех оптических компонентов под почти нормальным углом падения.
«Это не должно быть похоже на игру в сломанный телефон, где информация теряется по пути», — объясняет Канеда. «По сути, наша конструкция делает так, что принимаемый сигнал максимально близок к отправленному — поляризация фотонов сохраняется с точностью более 99%».
Эти достижения привели к созданию маршрутизатора с минимальным количеством оптических компонентов, что значительно снижает оптические потери и обеспечивает стабильную высококачественную работу.
«Он передаёт фотоны с потерями всего 0,06 дБ, что составляет около 1,3%», — объясняет Канеда. «Он не только работает эффективно на наносекундных скоростях, но и уже совместим с телекоммуникационными сетями, которые мы используем сегодня для интернета».
Результаты этого исследования закладывают ценную основу для развития практических технологий квантовых сетей.
В первой в мире демонстрации команда также успешно направила двухфотонные запутанные состояния — важнейший ресурс для квантового зондирования и квантовых сетей — при сохранении видимости интерференции около 97%. Это показывает, что маршрутизатор может работать не только с отдельными квантовыми битами, но и со сложным многофотонным запутыванием — ключевым требованием для масштабирования квантовых технологий.
По сравнению с предыдущими подходами, которые часто страдали от высоких потерь, шума или искажений, это новое устройство сочетает в себе все критически важные функции, необходимые для практического использования: низкие потери, высокая скорость, работа без шума и совместимость с существующими оптоволоконными сетями телекоммуникаций.
Предоставлено Университетом Тохоку.