Физики десятилетиями мечтали о квантовом интернете: планетарной сети сверхзащищённой связи и сверхмощных вычислений, построенных не на электрических сигналах, а на призрачных связях между частицами света.
И вот учёные из Эдинбурга говорят, что сделали важный шаг к тому, чтобы воплотить эту мечту в реальность. Исследователи из Университета Хериот-Уотт представили прототип квантовой сети, которая объединяет две более мелкие сети в одну реконфигурируемую систему на восемь пользователей, способную маршрутизировать и даже телепортировать запутанные состояния по запросу.
Демонстрация, о которой [сообщается на этой неделе в Nature Photonics](https://www.nature.com/articles/s41566-025-01806-x), устанавливает новый стандарт того, насколько большими, гибкими и функциональными могут быть квантовые сети.
Профессор Мехул Малик из Школы инженерии и физических наук Университета Хериот-Уотт сказал: «Другие команды уже продемонстрировали, что можно построить единую квантовую сеть и отправить запутанные состояния многим пользователям одновременно. Но это первый раз, когда кому-то удалось связать две отдельные сети вместе. Это не просто распределяет запутанные состояния по-разному, это фактически позволяет одной сети взаимодействовать с другой. Это важная веха на пути к реальному квантовому интернету».
В основе прототипа Университета Хериот-Уотт вместо блестящего квантового чипа или специально разработанного устройства лежит купленное в магазине оптическое волокно, которое стоит менее 100 фунтов стерлингов.
Команда использовала особенности рассеяния света внутри оптического волокна для программирования своего реконфигурируемого маршрутизатора запутанных состояний.
Доктор Наталия Эррера Валенсия, ведущий автор исследования, сказала: «Свет имеет тенденцию хаотично отражаться от сотен внутренних путей волокна. Мы превратили этот хаос в ресурс».
В результате получается переконфигурируемое многопортовое устройство, которое может распределять квантовые запутанные состояния между пользователями различными способами, переключаясь между локальными соединениями, глобальными соединениями и смешанными конфигурациями по желанию.
Крайне важно, что система может мультиплексировать эти каналы, то есть может обслуживать множество пользователей одновременно, а не по одной паре за раз. Мультиплексирование — это то, что позволяет классическим телекоммуникационным сетям передавать огромные объёмы данных по одному волокну, используя разные длины волн; здесь аналогичная концепция применяется в квантовом режиме.
Наиболее поразительно то, что команда достигла мультиплексной [телепортации запутанных состояний](https://phys.org/news/2025-11-independent-quantum-networks-successfully-fused.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal), обмениваясь запутанными состояниями между четырьмя удалёнными пользователями по двум каналам одновременно. Предыдущие демонстрации телепортировали запутанные состояния, но не среди такого количества одновременных пользователей в такой гибкой архитектуре.
Алмазный квантовый датчик раскрывает новые тайны магнитных явлений
В пространствах, меньших, чем длина волны света, электрические токи прыгают из точки в точку, а магнитные поля пронизывают атомные решётки способами, которые противоречат интуиции. Учёные только мечтали о наблюдении этих чудес напрямую.
Теперь исследователи из Принстона разработали алмазный квантовый датчик, который раскрывает богатую новую информацию о магнитных явлениях в этом крошечном масштабе. Метод обнаруживает флуктуации, которые находятся за пределами досягаемости существующих инструментов, и даёт ключ к пониманию таких материалов, как графен и сверхпроводники.
В опубликованной 27 ноября [статье в Nature](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09760-y) команда сообщила о примерно в 40 раз большей чувствительности, чем у предыдущих методов.
Натали де Леон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники и старший автор статьи, сказала, что новая техника даёт исследователям способ напрямую наблюдать структуру «очень малых магнитных полей и очень малых масштабов длины». Это позволяет проводить беспрецедентные измерения и раскрывает подробности о магнитных флуктуациях, которые скрываются в статистических данных более традиционных подходов.
«У вас есть совершенно новая площадка для игр», — сказала де Леон. «Вы просто не можете увидеть эти вещи традиционными методами».
Новая техника команды основана на созданных дефектах вблизи поверхности выращенного в лаборатории алмаза. Эти алмазы, размером примерно с большую чешуйку морской соли, гораздо чище природных алмазов, а дефекты, созданные в них, исчезающе малы — один отсутствующий атом в решётке из миллиардов. Но поскольку эти дефекты сильно взаимодействуют с магнитными полями и их можно тщательно спроектировать, они становятся отличными магнитными датчиками.
Обычно эти датчики рассматриваются как отдельные точки в пространстве. В этом последнем достижении де Леон и её команда создали систему, которая внедряет два таких дефекта очень близко друг к другу, позволяя им взаимодействовать квантово-механическим образом, что, к удивлению исследователей, сделало всю систему гораздо более способной.
«Это совершенно новый способ работы с этим квантовым датчиком, который позволяет нам исследовать то, что раньше было невозможно», — сказал Филип Ким, физик-экспериментатор из Гарварда, который не участвовал в этом исследовании. Другие методы, которые пытаются получить эту информацию, были ограничены тщательно сконструированными массивами атомов, а не реальными материалами, сказал Ким. Новая техника позволяет учёным исследовать реальные материалы напрямую. «Вот в чём важность».
Чтобы создать новый датчик, исследователи направили молекулы азота, движущиеся со скоростью более 30 тысяч футов в секунду, на алмаз. Когда молекула сталкивается с твёрдой поверхностью алмаза с такой энергией, она распадается, отправляя свои два атома азота — больше не химически связанные — в разные стороны в кристаллическую структуру алмаза.
Контролируя количество энергии, которым молекула обладает при столкновении с алмазом, исследователи могут контролировать, насколько глубоко проникают атомы азота. В этом случае они просверливают несколько десятков атомов углерода и останавливаются примерно в 20 нанометрах под поверхностью, останавливаясь примерно в 10 нанометрах друг от друга.
Такое чрезвычайно малое разделение позволяет двум атомам взаимодействовать друг с другом способами, которые приводят к квантовой запутанности — свойству, настолько чуждому человеческому опыту, что Альберт Эйнштейн однажды назвал его «жутким действием на расстоянии».
Когда запутаны, электроны в этих двух атомах азота начинают действовать синхронно. Измерение одного показывает идеально коррелированное измерение другого. Поскольку они всё ещё представляют собой отдельные точки, как два глаза, запутанные датчики могут триангулировать сигнатуры в шумных флуктуациях и эффективно находить источник шума.
В этом диапазоне размеров, между атомным масштабом и длиной волны видимого света, де Леон сказала, что учёные хотят измерить ранее невидимые величины, такие как расстояние, которое электрон проходит через материал, прежде чем отскочить от другой частицы, или эволюцию магнитных вихрей, которые появляются в сверхпроводящих материалах при определённых условиях.
«Этот диапазон, по сути, является масштабом длины, представляющим интерес», — сказал Ким. «Хороший диапазон, где можно понять много интересного».
Прорыв, который привёл к созданию этого запутанного датчика, совершил Джаред Ровни, который начал работать с де Леон в 2020 году в качестве одного из первых докторантов Принстонской квантовой инициативы.
Пандемия COVID-19 ограничила доступ в лабораторию, когда начал Ровни. Поэтому, как и многие его сверстники, он приступил к работе над идеями, которые не требовали экспериментальных установок. Он и де Леон решили изучить теорию магнитных шумов и посмотреть, есть ли способы использовать алмазные дефекты — называемые центрами азотных вакансий — для обнаружения корреляций в магнитном шуме, который гудит в фоновом режиме физики конденсированных сред.
«Это началось как один из этих странных, связанных с COVID, теоретических проектов», — сказала де Леон. В то время измерение корреляций в магнитном шуме не было предметом научных дискуссий, сказала она. На самом деле они начали проект из чистого любопытства, не зная, к чему это приведёт. «Только после того, как мы начали его формализовать, мы поняли, насколько он силён».
Ровни имел опыт работы в области ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в которой взаимодействующие частицы и их корреляции были ключевыми для его исследований. Это пробудило его любопытство и позволило проекту принять более серьёзный оборот.
«Эта сторона меня, связанная с ЯМР, всегда думала о взаимодействиях», — сказал Ровни. «Было много разных физических идей, которые я хотел изучить, связанных с взаимодействием этих вещей, а не с тем, чтобы оставлять их отдельными». Теперь он физик в стартапе по квантовым вычислениям Logiqal.
Сначала, сотрудничая с Шимоном Колковичем, физиком-атомником из Университета Висконсин-Мэдисон (ныне в Калифорнийском университете в Беркли), они [изучали корреляции](https://phys.org/news/2022-12-technique-reveals-magnetic-noise-space.html) между двумя центрами, которые не были запутанными. Хотя эти методы привели к интересным открытиям и статье в Science в 2022 году, они также были технически обременительными и слишком сложными для большинства экспериментальных применений.
«Я понял, что если вы их запутаете, — добавил Ровни, имея в виду центры азотных вакансий, — присутствие или отсутствие корреляции своего рода накладывает отпечаток на систему».
Этот отпечаток позволил им обойти самые обременительные проблемы и дал им преимущество двух датчиков с примерно такой же стоимостью использования только одного.
«Теперь всё, что мне нужно сделать, это одно измерение, — сказала де Леон, — одно обычное измерение».
reported this week in Nature Photonics, sets a new benchmark for how large, flexible and capable quantum networks can become.»,»Professor Mehul Malik from Heriot-Watt’s School of Engineering and Physical Sciences said, \»Other teams had already demonstrated that you can build a single quantum network and send entanglement to many users at once.»,»\»But this is the first time anyone has managed to link two separate networks together. It doesn’t just distribute entanglement in different ways, it actually lets one network talk to the other.»,»\»This is a major milestone on the road to a real-world quantum internet.\»»,»At the heart of the Heriot-Watt prototype, instead of a gleaming quantum chip or custom-engineered device, is a shop-bought optical fiber that costs less than £100.»,»The team harnessed the scattering behavior of light inside an optical fiber to program their reconfigurable entanglement router.»,»Dr. Natalia Herrera Valencia, lead author of the study, said, \»Light tends to ricochet chaotically through the fibers’ hundreds of internal pathways. We turned that chaos into a resource.\»»,»The result is a reconfigurable multi-port device that can distribute quantum entanglement between users in multiple patterns, switching between local connections, global connections and mixed configurations at will.»,»Crucially, the system can multiplex these channels, meaning it can serve many users simultaneously, rather than one pair at a time. Multiplexing is what allows classical telecoms networks to send vast amounts of data down a single fiber using different wavelengths; here, a similar concept is deployed in the quantum regime.»,»Most strikingly, the team achieved multiplexed entanglement teleportation, swapping entanglement between four distant users across two channels at once. Previous demonstrations have teleported entanglement, but not across so many simultaneous users in such a flexible architecture.»,»Dr. Herrera Valencia said, \»By shaping the light at the input, we effectively programmed the fiber, transforming its messy internal scattering into a powerful, high-dimensional optical circuit.\»»,»\»That lets us route quantum entanglement wherever we want, even teleport it, using this deceptively simple piece of fiber.\»»,»Professor Malik says the demonstration has exciting implications for quantum computing. \»It’s really exciting. Quantum computing could be world-changing, transforming how we find and develop medicines, create new materials for batteries and supercharge machine learning.»,»\»A promising current approach to building a large-scale, powerful quantum computer is to interconnect lots of smaller quantum processors.»,»\»Our prototype is a network that can flexibly distribute and swap entanglement among many users, or quantum processors—it could be the breakthrough quantum computing has been waiting for. Yes, this is a lab-scale demonstration, but the principle is extendable.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tHeriot-Watt University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\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