Группа исследователей из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, Германия, добилась успеха в реализации технологии передачи квантовой информации и явления квантовой запутанности от одного стационарного квантового запоминающего устройства к другому через обычный оптический телекоммуникационный канал. Во время эксперимента информация, заключенная в состоянии атомарного квантового бита, была преобразована в состояние фотона света, который, пройдя по оптоволоконному кабелю расстояние в 20 километров, успешно донес эту информацию до другого атомарного квантового бита.
Данное достижение позволит в будущем увеличить расстояние, разделяющее отдельные части квантовых концентраторов и квантовых компьютеров, разделенных физически, но остающихся, при этом, в режиме онлайн. Кроме этого, использованные технологии могут лечь в основу конструкции квантового повторителя, устройства, способного раздвинуть границы использования квантовых технологий до регионального, национального и даже международного масштабов.
Отметим, что прямо сейчас германские исследователи реализовали только половину функционала квантовой коммуникационной системы. Для получения полноценного коммуникационного канала им потребуется сделать еще одно точно такое же преобразование информации, только в обратном направлении.
Эксперимент по передаче квантовой информации был начат с атома рубидия, заключенного в оптической лазерной ловушке и охлажденного до температуры в несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Этот атом был выбран из беспорядочного облака атомов рубидия и перемещен в ловушку при помощи оптического пинцета, сфокусированного особым образом луча лазерного света, позволяющего перемещать крошечные объекты.
Далее этот атом был переведен в возбужденное энергетическое состояния, в котором он стал квантовой частицей, а заключенная в нем квантовая информация была закодирована в спине, в направлении вращения верхнего возбужденного электрона. Когда атом спонтанно вернулся в более низкоэнергетическое состояние, он излучил фотон света, поляризация которого соответствовала спину электрона, и который был запутан с атомом на квантовом уровне.
Следующими шагами были захват этого фотона света, преобразование его в фотон S-диапазона и направление его в оптическое волокно, длиной 20 километров. Отметим, что свет S-диапазона способен пройти по оптоволокну и немного большее расстояние, прежде чем он будет ослаблен или искажен, что приведет к утере заключенной в нем квантовой информации. Пограничная длина оптоволоконной линии привела к тому, что на его выходе запутанность с атомом рубидия сохраняли лишь 78 процентов фотонов света.
Сейчас немецкие ученые работают над приемным узлом, в котором фотоны света передадут квантовую запутанность и заключенную в них квантовую информацию другому атому рубидия, помещенному в такие же условия, как и атом на другом конце линии. Этот узел будет установлен в лаборатории Института Оптики Макса Планка в Мюнхене, который находится на расстоянии 20 километров от Мюнхенского университета.
И, в конце концов, для того, чтобы сделать из всего этого реально работающий квантовый коммуникационный канал, германским ученым предстоит разработать и реализовать подходящую для этого технологию обнаружения и исправления ошибок. Эта задача является весьма сложной, но ее решение – это необходимый шаг для создания практических систем, способных транслировать состояние квантовой запутанности от одного стационарного кубита к другому на расстояния, исчисляющиеся многими десятками и сотнями километров.