Выполнено ключевое условие для создания квантового интернета

Свет — идеальный носитель квантовой информации, закодированной в отдельных фотонах, но перенос на большие расстояния неэффективен и ненадежен. Прямая телепортация между конечными узлами сети могла бы снизить потери кубитов. Для этого, во-первых, между узлами должна быть создана запутанность; во-вторых, соответствующее измерение со стороны отправителя должно запустить мгновенную передачу кубита в узел получателя. Однако, кубит, достигший получателя, может оказаться перевернут, и его придется повернуть обратно. Все это требует времени, в течение которого кубит должен храниться у получателя. Если узлы расположены на двух самых удаленных друг от друга точках Земли, это время равно 66 мсек.

В 2011 году группа профессора Ремпе продемонстрировала успешную технику хранения фотонного кубита на отдельном атоме, но время хранения ограничено несколькими сотнями микросекунд, пишет Phys.org. «Главная проблема хранения квантовых битов — это феномен сдвига по фазе, — объясняет Штефан Лангенфельд, участник эксперимента. — Характерной чертой квантового бита является относительная фаза волновых функций атомных состояний, когерентно наложенных друг на друга. К несчастью, в полевых испытаниях это фазовое соотношение со временем теряется, в основном из-за взаимодействия с флуктуирующими окружающими магнитными полями».

В новом эксперименте ученые предприняли попытку воздействия на эти флуктуации. Как только информация переносится с фотона на атом, населенность атомного состояния когерентно переносится на другое состояние. Это делается с помощью пары лазерных лучей, индуцирующих рамановский переход. В этой новой конфигурации сохраненный кубит в 500 раз менее чувствителен к флуктуациям магнитного поля. До восстановления сохраненного кубита рамановский переход совершатся в обратную сторону. В течение 10 миллисекунд наложение сохраненного фотона и возвращенного фотона составляет 90%. Это значит, что трансфер атомного кубита в менее чувствительное состояние продлевает время когерентности в 10 раз. Другое 10-кратное увеличение возникает из-за так называемого «спинового эхо». В данном случае, населенность двух атомных состояний меняется местами в середине времени хранения. Таким образом, можно сохранять квантовую природу бита в течение более чем 100 миллисекунд.

«Хотя глобальная квантовая сеть, позволяющая надежно и безопасно передавать квантовую информацию, все еще требует большого объема исследований, долгосрочное хранение кубитов является ключевой ее технологией, и мы уверены, что эти улучшения значительно приблизят нас к ее воплощению», — говорит Маттиас Кёрбер, участник эксперимента.

Прототип квантового роутера создали недавно ученые Австрии. Эти наноустройства состоят из пар кремниевых резонаторов на частоте 5,1 ГГц. Их протестировали на расстоянии 20 см друг от друга, но изобретатели не видят препятствий увеличить дистанцию до нескольких километров.