Американские учёные сделали шаг, который может привести к созданию глобального квантового интернета — системы, где квантовые компьютеры смогут обмениваться данными на расстояниях в 1000 километров. Исследователи из Университета Чикаго разработали метод, позволяющий соединять квантовые устройства через оптоволоконные линии на дистанции до 2000 километров, что более чем в 500 раз превышает предыдущие возможности подобных технологий.
Проблема квантовой связи заключается в том, что состояние запутанности между частицами, обеспечивающее передачу информации, сохраняется лишь очень короткое время. Даже малейшее воздействие среды — тепловые колебания, шум или вибрации — разрушает хрупкое квантовое состояние. До сих пор учёным удавалось поддерживать связь между квантовыми системами на расстоянии не более нескольких километров: при увеличении длины кабеля квантовая когерентность — согласованность квантовых состояний — быстро терялась.
Команда под руководством профессора Тяня Чжуна из школы молекулярной инженерии Университета Чикаго показала, что этот барьер можно преодолеть. Исследователи сумели увеличить время когерентности отдельных атомов эрбия с 0,1 миллисекунды до более чем 10 миллисекунд, а в одном из экспериментов — до 24 миллисекунд. Такой показатель теоретически позволяет связывать квантовые компьютеры на расстоянии до 4000 километров — от Чикаго до колумбийского города Окана.
Чтобы добиться этого, учёные применили другой способ изготовления кристаллов, содержащих редкоземельные элементы, используемые для квантовых вычислений. Вместо традиционного метода Чохральского, при котором материалы плавят при температуре свыше 2000 °C и медленно охлаждают, они использовали технологию молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE). Этот метод позволяет «выращивать» кристаллы послойно, атом за атомом, с высокой степенью контроля над структурой решётки и положением примесей.
Полученные таким образом кристаллы с добавками эрбия обладают исключительно высокой чистотой и упорядоченностью. Благодаря этому квантовые биты сохраняют когерентность гораздо дольше, чем в материалах, полученных традиционным способом. Более того, эти кристаллы работают в диапазоне длин волн, совместимом с существующей телекоммуникационной инфраструктурой, что делает их особенно подходящими для построения сетей квантовой связи по уже проложенным оптоволоконным линиям.
Учёные добились однократного чтения состояния кубитов и их когерентного управления с помощью микроволновых импульсов в интегрированном оптоволоконном модуле. Это значит, что новые элементы можно подключать к квантовым системам без сложных лабораторных условий, а значит — масштабировать технологию и использовать её в будущем квантовом интернете.
По словам исследователей, сочетание высокой кристалличности, контролируемого размещения атомов-примесей и симметричной структуры решётки позволило им добиться ширины оптической линии на уровне килогерц — показателя, ранее считавшегося недостижимым для редкоземельных материалов.
Этот успех открывает путь к созданию масштабируемых квантовых сетей связи, где свет (фотоны) и материя (атомы) взаимодействуют напрямую и без потерь. В перспективе подобные системы смогут объединять квантовые компьютеры в разных странах, обеспечивая обмен данными на скоростях и с уровнем безопасности, невозможными для классических технологий.
Если раньше даже 2 квантовых компьютера в пределах одного города не могли «договориться» друг с другом из-за потери когерентности, то теперь установка в кампусе Университета Чикаго может, как подчёркивает профессор Чжун, теоретически связаться с квантовым узлом за 1000 километров — вплоть до другой стороны континента.