Мир стремительно движется к эпохе квантовых технологий, и вот уже ученые из Гарвардского университета и AWS Center for Quantum Networking представили эспериментальную реализацию квантовой сети, состоящей из двух узлов квантовой памяти на основе центров кремния-вакансии (SiV) в алмазах. Сразу возникает вопрос: а как это работает на практике? Давай разберемся.
Допустим, у нас есть два узла квантовой сети, каждый из них находится в своей лаборатории, потому что если они будут рядом, то что это за наука без немного сложности и изощренности.
Между этими узлами установлено оптическое волокно примерно 20 метров длиной. Для передачи информации используется золотой копланарный волновод, потому что если ты уже занимаешься квантовом сетями, то сразу должно быть и золото.
Ради контраста, между узлами расстояние прямой видимости составляет 6 метров.
Но как известно, если ты не пересекаешь четыре муниципалитета в Бостонском столичном регионе, то ты еще не сделал настоящего научного открытия. Поэтому ученые продемонстрировали работу своей системы в реальных условиях городской среды, передавая запутанность через 35-километровую петлю оптического волокна, установленную в самом Бостоне. Думаю, все согласятся, что это заслуживает аплодисментов, потому что только нечто действительно грандиозное должно происходить в лаборатории, чтобы запутать спины алмазов через целый город.
Итак, как же работает передача информации через эту квантовую сеть?
Для начала мы имеем SiV-центры, что на самом деле являются дефектами в кристаллической решетке алмаза. Но не суть, главное, что у них два типа спиновых состояний: электронный спин и спин ядра атома 29Si. Чтобы запутать электронные спины в разных лабораториях, ученые применили специальные «ворота» (e-γ gate), которые, конечно, напоминают переход на темную сторону, но только в квантовой физике.
Затем фотон, несущий информацию о запутанном состоянии, передается между узлами.
Для увеличения дальности передачи используются ядерные спины 29Si, так как у них время когерентности значительно дольше, чем у электронных спинов. Чтобы запутать ядерные спины, ученые использовали другие «ворота» — PHONE gate (photon-nucleus entangling gate). Тут уже начинает казаться, что лаборатории Гарварда превратились в волшебную школу с квантовыми воротами и волшебными фотонами.
Но ведь даже волшебные квантовые ворота нуждаются в своем Гарри Поттере, поэтому ученые разработали методику обнаружения и исправления ошибок, возникающих во время реализации PHONE gate.
Ведь в мире квантовых технологий нельзя допускать никаких чар, порч или ошибок.
Чтобы передавать запутанные состояния через большие расстояния, необходимо было использовать волоконно-оптические каналы. Но как известно, свет излучаемый SiV-центрами имеет длину волны в 737 нм, что приводит к большим потерям сигнала в оптическом волокне. Здесь на помощь приходит двунаправленное квантовое преобразование частоты (QFC), которое позволяет сдвинуть длину волны фотона из видимого спектра в инфракрасный, где потери в оптическом волокне гораздо меньше.
Это пример применения квантовых технологий для решения реальных проблем — ведь умение «перекидывать» фотоны из одного диапазона частот в другой, это что-то вроде эквивалентного волшебства.
Таким образом, ученым удалось продемонстрировать передачу запутанных состояний ядерных спинов через волокно длиной до 40 километров. И даже передавать квантовые состояния через 35 километровую петлю оптического волокна в Бостоне. Есть надежда, что в будущем эта технология окажется полезной в различных областях, включая безопасную квантовую коммуникацию, распределенные квантовые вычисления и квантовые сенсоры.
В целом, когда речь заходит о квантовых технологиях, всегда возникает некоторая загадочность и таинственность.
И в какой-то момент перестает играть роль, что происходит на самом деле, потому что описанные процессы также напоминают нам некие квантовые приключения с заклинаниями, тайными воротами и параллельными мирами. Надеюсь, что в будущем мы сможем узнать еще больше о квантовых технологиях и квантовых сетях и применить это знание в самых неожиданных сферах — кто знает, может быть, даже в магии!