Две независимые группы исследователей объявили о существенном прогрессе в создания квантовых сетей: им удалось создать источники одиночных фотонов, свойства которых «идеально» подходят для передачи данных. «Хайтек» рассказывает, что такое квантовые сети, какие материалы инженеры предлагают использовать и в чем их преимущества.
Эффекты квантовой механики, в том числе запутанность двух частиц (явление, при котором отдельные состояния двух распределенных атомов или частиц находятся во взаимозависимом состоянии), открывают множество технологических возможностей. Одна из них — создание квантовых сетей связи (и даже квантового интернета), обеспечивающих защиту передаваемых данных от утечек и компрометации и обмен информации между квантовыми системами. Такую квантовую сеть можно реализовать, запутав отдельные носители квантовой информации, кубиты, друг с другом с помощью света.
Две независимые группы исследователей объявили о создании источников одиночных фотонов, которые необходимы для передачи данных в квантовой сети. Немецкие исследователи из Института квантовой оптики Общества Макса Планка и Мюнхенского технического университета использовали атомы эрбия, встроенные в кремниевый кристалл, которые дают свет с частотой, соответствующей современным сетям связи.
А инженеры из Массачусетского технологического института используют нанокристаллы перовскитов, производство которых легко масштабировать. При этом они не требуют экстремального охлаждения и могут работать при комнатной температуре.
Что такое квантовая сеть?
Квантовые компьютеры теоретически могут выполнять задачи, не поддающихся решению даже на самых мощных в мире суперкомпьютерах. Их можно использовать для моделирования свойств материалов и сложных систем. Но, чтобы достичь по-настоящему значимых результатов, нужен эффективный способ соединения узлов квантовой информации — распределенных квантовых процессоров.
Поскольку квантовые компьютеры коренным образом отличаются от классических, обычные методы, используемые для передачи информации, не применимы к ним напрямую. Квантовая информация более сложна: вместо того, чтобы хранить только значение 0 или 1, как в классических компьютерах, кубит может одновременно принимать значения 0 и 1 (явление, известное как суперпозиция).
Идеальным решением является квантовая сеть — соединение, в котором осуществляется прямой обмен кубитами информации с сохранением квантовомеханических свойств. Квантовая сеть связывает узлы обработки с помощью фотонов, которые проходят через специальные межсоединения, известные как волноводы.
Преимущество такого соединения состоит в том, что квантовые устройства связываются напрямую, обеспечивая более быструю обработку данных. Кроме того, такие сети можно использовать для безопасной передачи данных: как только злоумышленник попытается перехватить информацию, «закодированную» в фотонах, квантовые свойства частиц будут потеряны, а данные станут непригодными для использования.
Атомы эрбия в кремниевом кристалле
Немецкие инженеры разработали оптический резонатор для квантовых сетей на основе кристалла кремния, легированного атомами эрбия. Разработка следует за предыдущим исследованием той же группы по внедрению отдельных атомов редкоземельного элемента в кристаллический кремний с использованием относительно низкой температуры (около 500 °C), чтобы гарантировать, что большое количество атомов эрбия не сгруппируется вместе в решетке кремния.
В новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Optica, исследователи показали, что с помощью таких кристаллов можно генерировать одиночные фотоны с заданными свойствами. Атомы эрбия, помещенные в кремниевый кристалл, обладают превосходными оптическими свойствами, отмечают авторы исследования. Они излучают свет с длиной волны 1536 нм. Это практически идентично свету, который используется для передачи данных в классических оптоволоконных сетях.
Инженеры разработали резонатор, легированный эрбием, который отличается от обычных конструкций тем, что в нем нет зеркал. Вместо этого используется регулярная структура отверстий нанометрового размера в кристаллическом кремнии. Это означает, что весь резонатор имеет длину всего несколько микрон и содержит всего несколько десятков атомов эрбия. При соединении резонатора с оптоволокном и возбуждения атомов с помощью лазера исследователи продемонстрировали возможность излучения отдельных фотонов с желаемыми характеристиками.
Исследователи отмечают два основных преимущества, которые, по их словам, делают легированный эрбием кремний «идеальным кандидатом для построения квантовых сетей». Во-первых, он основан на классическом материале, который широко используется в полупроводниковом производстве, а значит масштабное создание нужных компонентов не потребует создания новых сложных производств.
А во-вторых, система работает при относительно высокой (для квантовых технологий) температуре — около 8 К (-265 °С). В отличие от систем, работающих около абсолютного нуля, такие условия проще создать с помощью охлаждения в криостате с жидким гелием.
Перовскиты в качестве источников одиночных фотонов
Исследователи из MIT предлагают альтернативный материал для создания квантовых сетей — перовскиты. Этот материал уже широко зарекомендовал себя в качестве потенциальной альтернативы кремнию в фотоэлементах. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics, инженеры показали, что они также могут генерировать поток идентичных фотонов.
Для своего исследования физики использовали наночастицы свинцово-галитного перовскита. Для фотоэлементов используются тонкие пленки из этого материала, а в форме наночастиц они отличаются невероятно высокой скоростью криогенного излучения, что отличает их от других коллоидных полупроводниковых наночастиц. Чем быстрее излучается свет, тем больше вероятность того, что выходной сигнал будет иметь четко определенную волновую функцию, которая необходима для квантовых сетей.
Чтобы проверить, что фотоны, которые они генерируют, действительно обладают нужными свойствами, исследователи провели стандартный тест. Он заключается в обнаружении особого вида интерференции между двумя фотонами, эффект Хонга — У — Мандела. Результаты эксперимента подтвердили, что источник излучает квантовый свет.
Исследователи отмечают, что пока установка не совершенна и работает с помехами, но они уверены, что их можно будет преодолеть, поместив перовскиты в оптический резонатор — эффект, который работает с другими материалами.
Одновременно исследователи отмечают преимущество технологии в простоте производства. «Причина, по которой другие источники когерентны, заключается в том, что они сделаны из самых чистых материалов и один за другим, атом за атомом. Таким образом, у нас очень плохая масштабируемость и очень плохая воспроизводимость», — говорит Александр Каплан, соавтор исследования. Напротив, наночастицы перовскита сделаны в растворе и просто нанесены на материал подложки. Кроме того, такие источники работают при комнатной температуре и не требуют охлаждения.
Обе предложенных технологии пока не являются готовым решением для построения квантовых сетей. Но это шаг в нужном направлении. Тот факт, что разные группы исследователей по всему миру разрабатывают альтернативные технологии и пытаются найти решение, которое будет относительно дешево и просто масштабировать, говорит, что вскоре квантовые сети могут стать реальностью.
Читать далее:
Странный объект горячее Солнца удивил астрономов
В Монголии нашли артефакт, напоминающий фаллос: ему около 42 000 лет
Найдено самое высокое дерево в Азии: показываем, как оно выглядит
Изображение на обложке: C. Hohmann, MCQST