Для создания мощных квантовых компьютеров в будущем необходимо будет подключить несколько небольших компьютеров, чтобы сформировать своего рода кластер или локальную сеть (ЛВС). Поскольку эти компьютеры работают с квантово-механическими состояниями суперпозиции, которые содержат логические значения «0» и «1» одновременно, связи между ними также должны быть «квантовыми связями».
В настоящее время существуют компьютеры с несколькими десятками квантовых битов или кубитов, но несколько сотен тысяч из них практически невозможно разместить в существующих устройствах. Одна из причин в том, что кубиты, основанные на сверхпроводящих электрических генераторах, такие же как те, которые используются в квантовых чипах в лаборатории Уоллраффа (а также в IBM и Google), должны быть охлаждены до температур, близких к абсолютному нулю — это около -273,15°C.
«Это действительно важная веха для нас, поскольку теперь мы можем показать, что квантовые локальные сети в принципе возможны. В ближайшие 10–20 лет квантовые компьютеры, вероятно, будут все больше полагаться на них».
Андреас Уоллараф, профессор лаборатории квантовых устройств в ETH Zurich.
Задача исследователей состояла в том, чтобы соединить две из этих сверхпроводящих квантовых микросхем таким образом, чтобы иметь возможность обмениваться состояниями суперпозиции между ними с минимальной декогерентностью. Это происходит с помощью микроволновых фотонов, которые испускаются одним сверхпроводящим генератором и принимаются другим. Они летят через волновод, представляющий собой металлическую полость шириной в несколько сантиметров, которая также должна быть сильно охлаждена, чтобы не влиять на квантовые состояния фотонов.
Каждая из квантовых микросхем охлаждается в течение нескольких дней в криостате (это чрезвычайно мощный холодильник) с использованием сжатого, а также жидкого гелия, до нескольких сотых градуса выше абсолютного нуля. Для этого пятиметровый волновод, который создает квантовую связь, был снабжен оболочкой, состоящей из нескольких слоев медного листа. Каждый из этих листов действует в качестве теплозащитного экрана для разных температурных ступеней криостата: -223°C, -269°C, -272°C и, наконец, -273,1°C. В целом одни только эти теплозащитные экраны весят около четверти тонны.
Физики из ETH не только показали, что квантовая связь должна быть достаточно охлаждена, но также и то, что она может фактически использоваться для надежной передачи квантовой информации между двумя квантовыми чипами. Чтобы продемонстрировать это, они создали запутанное состояние между двумя чипами через квантовую связь. Такие запутанные состояния, в которых измерение одного кубита мгновенно влияет на результат измерения на другом кубите, также можно использовать для испытаний в базовых квантовых исследованиях. В этих «тестах Белла» кубиты должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы можно было исключить любую передачу информации со скоростью света.
Пока Уоллрафф и его сотрудники проводят эксперименты с новой связью, они уже начали работать над еще более длинными квантовыми путями. Уже год назад им удалось достаточно охладить десятиметровое звено, но без каких-либо квантовых экспериментов с ним. Сейчас они работают над 30-метровой квантовой связью, для которой была специально подготовлена комната в ETH.