Квантовые сети — системы, состоящие из связанных квантовых компьютеров, квантовых датчиков или других квантовых устройств — обладают потенциалом для более быстрой и безопасной связи. Создание таких сетей основано на квантовом явлении, известном как запутанность, которое подразумевает связь между частицами или системами, при этом квантовое состояние одной влияет на другую, даже когда они находятся далеко друг от друга.
Атомы, используемые для создания квантовых сетей, работают на видимой или ультрафиолетовой длине волны, что не идеально для передачи сигналов на большие расстояния через оптические волокна. Преобразование этих сигналов в длины волн телекоммуникационного диапазона может снизить эффективность связи и привести к появлению нежелательных сигналов, которые могут нарушить связь между кубитами.
Исследовательская группа под руководством профессора Джейкоба П. Кови из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн недавно реализовала квантовую сеть телекоммуникационного диапазона, используя массив атомов иттербия-171. Их статья, опубликованная в Nature Physics, представляет перспективный подход к созданию запутанности высокой точности между атомами и оптическими фотонами, генерируемыми непосредственно в телекоммуникационном диапазоне.
«Сети квантовых устройств с общей запутанностью открывают новые возможности в квантовой информатике», — сказал Сие Ху, соавтор статьи, в интервью Phys.org.
Иттербий-171, обычно используемый в оптических атомных часах из-за его долгоживущего метастабильного состояния, стал перспективным кандидатом в сообществе массивов атомов с новыми приложениями в квантовых вычислениях и метрологии.
Для создания своей квантовой сети Ху и его коллеги использовали уникальные свойства массивов атомов иттербия-171, которые, как известно, перспективны для связи на большие расстояния. Их сеть знаменует значительный шаг на пути к созданию сети квантовых процессоров, которые могут поддерживать распределённые вычисления или квантовую сеть атомных часов для точного хронометража и приложений, связанных с измерениями.
«Из метастабильного состояния в иттербии-171 существует умеренно широкий переход на длине волны 1389 нм, который мы использовали для реализации кодированной по времени запутанности между одиночным атомом и телекоммуникационным фотоном с высокой точностью», — объяснил Ху.
Ху и его коллеги продемонстрировали осуществимость своего подхода к параллельным квантовым сетям в серии тестов и обнаружили, что он обеспечивает равномерно высокую точность запутанности и незначительный перекрёстный разговор между различными узлами сети. Затем они разработали «протокол сетевого взаимодействия в середине схемы» — инструмент, который позволяет сохранять когерентность данных кубитов во время попыток сетевого взаимодействия.
«Мы подробно изучили как физические, так и технические факторы, ограничивающие достигнутую точность кодированной по времени запутанности между атомом и фотоном, и предложили конкретные решения для улучшений», — сказал Ху.
Ключевой особенностью массива атомов иттербия-171, используемого исследователями, является его геометрическое сходство с волоконным массивом. Ху и его коллеги считают, что их сеть может быть полезна для решения обобщённых задач параллелизации (то есть задач, которые можно разделить на более мелкие подзадачи и выполнить одновременно разными кубитами или устройствами в сети).
Стратегии проектирования и протокол сетевого взаимодействия в середине схемы, разработанные этими исследователями, вскоре могут быть использованы другими исследовательскими группами для реализации параллельных квантовых сетей. Протокол оказался весьма перспективным для планирования сетевых задач, сохраняя при этом когерентность вычислений или хранения на одном квантовом процессоре в рамках более крупной сети.
«Одним из наиболее существенных улучшений, которые мы можем внести в рамках нашей будущей работы, является переход от использования объективной линзы к использованию резонатора для сбора одиночных фотонов», — сказал Ху. «Среди прочего резонатор обеспечивает на порядки более высокую эффективность сбора, что значительно повышает скорость работы сети».
Исследователи из лаборатории Кови в настоящее время разрабатывают новый эксперимент второго поколения с иттербием, направленный на реализацию высокоскоростной и дальней связи в квантовой сети. В этом эксперименте команда планирует разместить свой массив атомов внутри макроскопического конфокального резонатора, покрытого для перехода на 1389 нм.
«Запутанность между атомом и фотоном, кодированная по времени, продемонстрированная в рамках нашей недавней работы, также в конечном итоге будет расширена для реализации удалённой запутанности между атомами, либо между двумя атомами в одном аппарате, либо между двумя атомами в двух разных аппаратах», — добавил Ху.