Американские ученые передали запутанные фотоны по воздуху на расстояние около 21 км. Эксперимент прошел 21 августа в пригороде Нью-Йорка.
Первая в США стационарная линия оптической связи в свободном пространстве (FSO) соединила «Квантовый маяк» на крыше семиэтажного здания Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) с Университетом штата Нью-Йорк в Стони-Брук. Она стала еще одним сегментом самой большой в стране квантовой сети.
На карте показаны Брукхейвенская национальная лаборатория, Университет Стоуни-Брук и Йельский университет — три учреждения, в которых размещены объекты, образующие оптическую линию связи в свободном пространстве (FSO). Jennifer Abramowitz/Brookhaven National Laboratory«FSO — это, по сути, беспроводная технология, аналогичная той, что позволила сегодняшнему классическому интернету выйти за пределы кабелей и стать неотъемлемой функцией спутников на орбите и наших мобильных телефонов. Это одна из ключевых технологий, без которой квантовый интернет не станет по-настоящему полезным», — рассказывает Джастин Хапт, ведущий научный сотрудник проекта от BNL.
Запутанные фотоны рождаются в узлах сети, например, в Лаборатории квантовой информатики и технологий Брукхейвена. Для этого лазерный луч направляют в специально сконструированный кристалл или оптическое устройство, расщепляющие фотоны на запутанные пары. Их разделяют и передают по кабелю — а теперь и по воздуху, для чего нужны телескопы.
Хапт и ее коллеги из Отдела приборов Брукхейвена — не новички в телескопостроении: они конструировали основные компоненты для обсерватории Веры Рубин. Разработка инструментов наземного применения оказалась если не сложнее — то точно не проще.
«Когда смотришь на линию горизонта на таком расстоянии, из-за атмосферы картинка сильно размывается Бесполезно увеличивать масштаб или ставить линзу побольше — нужно корректировать искажения в реальном времени», — объясняет инженер-оптик.
Группа ученых, инженеров, студентов и руководителей Брукхейвенской лаборатории стоит перед Квантовым маяком — современным комплексом, расположенным на крыше семиэтажного здания. David Rahner/Brookhaven National LaboratorПо ее словам, свет распространяется как плоская волна, но проходя через турбулентную атмосферу, эта плоскость «сминается». Чтобы «разгладить» свет, применяют адаптивную оптику, в том числе зеркала, настолько тонкие, что их можно деформировать, придавая нужную форму. Тысячи раз в секунду эти зеркала автоматически выгибаются так, чтобы компенсировать атмосферные искажения в реальном времени, давая на выходе четкое изображение.
Изначально технология была разработана для повышения четкости снимков наземных телескопов. Но, несмотря на гораздо меньшее расстояние, турбулентность между Брукхейвеном и Стони-Брук значительно сильнее, чем между Землей и звездами — потому, что основная часть атмосферных возмущений сосредоточена у поверхности, где здания, деревья и пересеченная местность взаимодействуют с ветром, взбалтывая воздух. Разные типы покрытия — трава или асфальт — нагреваются солнцем по-разному, что тоже вносит свой вклад в неоднородность атмосферы.
Компенсация атмосферных искажений — лишь часть задачи. Приемником и передатчиком с обеих сторон служит оптоволокно толщиной меньше пяти микрон. Чтобы связать их по воздуху, приходится расширять луч до 60 см, чтобы он совпадал с размером главного зеркала телескопа, а затем снова фокусировать его в в микроскопическую точку.
В среду, 19 августа, исследователи из Брукхейвенской лаборатории, работающие в установке «Квантовый маяк», зафиксировали запутанные фотоны, поступающие от «Квантовой сторожевой башни» в Стоуни-Брук. Расхождение красной и синей линий на верхнем графике, а также разница между красными и синими столбцами на нижнем графике указывают на увеличение количества обнаруженных фотонов (красная линия — скорость смещения фазы) по сравнению с фоновым количеством (синяя линия — скорость смещения фазы). Brookhaven National LaboratoryНаконец, качество работы телескопов FSO зависит и от погодных условий. Беспроводной квантовой связи мешает не только туман, что вполне очевидно, но и яркий солнечный свет.
«Это все равно что светить фонариком с крыши, — сравнивает Хапт. — При солнечном свете его не увидишь».
Поэтому, хотя официальное мероприятие с разрезанием ленточки и демонстрацией технологии прошло днем, пока экспериментаторы стараются передавать фотоны преимущественно ясной ночью. Но в перспективе они намерены улучшить связь, чтобы делать это в любое время суток и при любой погоде.
Исследовательница признается, что для нее важнее не прикладное применение квантовых технологий, а «по-настоящему прорывная наука». Пока в тиши лаборатории инженеры корпят над разработкой квантовых спутников, брукхейвенские ученые уже готовы посредством «Квантового маяка» отслеживать спутники обычные. Эти эксперименты позволят отработать технологии оптической стабилизации и сопровождения, которые понадобятся для подключения квантового спутника в будущем.