Глобальная квантовая связь может быть ближе, чем кажется

Ни квантовые компьютеры, ни квантовая криптография не смогут получить должное развитие и стать распространенными технологиями без систем памяти, которые смогут управлять квантовой информацией легко и эффективно. Факультет физики Университета Варшавы пытается популяризовать квантовые информационные технологии путем создания атомной памяти с невероятными характеристиками и чрезвычайно простой конструкцией.

После нескольких лет испытаний в лабораториях физики, первые квантовые технологии медленно, но верно получают распространение. Одним из примеров является квантовая криптография — метод шифрования, который обеспечивает почти полную гарантию безопасной передачи данных и в настоящее время принимается вооруженными силами и банковскими институтами. Обработка квантовой информации и отправка ее на длинные дистанции, однако, серьезно ограничена нехваткой соответствующей памяти. Как пишет Phys.org, Университет Варшавы в Польше создал полностью функционирующую атомную память с простой и надежной конструкцией, которую можно использовать в ряде применений, включая телекоммуникации.

«Самой большой проблемой при создании нашей квантовой памяти был точный выбор параметров системы, которые позволили бы ей эффективно сохранять, хранить и считывать квантовую информацию. Мы также нашли способ снизить шум во время поиска и обнаружения [информации]», — рассказал ученый Войцех Василевский.

Современные оптоволоконные сети включают передачу классической информации, использующей лазерный свет, распространяющийся внутри оптоволоконных кабелей. Однако затухание светового сигнала в таком оптоволоконном кабеле приводит к тому, что он ослабляется при прохождении длительных дистанций. При использовании оптоволоконных кабелей, на каждые 100 километров приходится размещать лазерные усилители, умножающие фотоны. Они превращают слабый сигнал с небольшим количеством фотонов в сильный сигнал с большим количеством фотонов.

Тем не менее в квантовых коммуникациях важны именно отдельные фотоны и их квантовые состояния. В этой сфере усиление сигнала означает не только умножение числа фотона, а скорее сохранение их оригинального нетронутого квантового состояния. К сожалению, квантовую информацию нельзя дублировать безнаказанно: проведение каких-либо измерений квантового состояния фотона неизбежно повлияет на его оригинальное состояние. Невозможность квантового клонирования, открытое в том числе и польским физиком Войцехом Журеком, накладывает фундаментальные ограничения на операции, которые могут проводиться с квантовой информацией.

В 2001 году группа физиков из Университета Инсбрука и Гарвардского университета предложила протокол квантовой передачи DLCZ, тем самым сделав возможным передачу квантовой информации на длинные дистанции. Согласно этому протоколу, квантовая информация, попадающая в каждый релейный узел сети, будет храниться там достаточно долго, чтобы гарантировать успешную передачу к следующему узлу. Но в таком протоколе ключевую роль играет квантовая память, которая будет хранить квантовую информацию достаточно долгое время.

«До сих пор квантовая память требовала сложного лабораторного оборудования и комплексных методов охлаждения системы до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю. Устройство атомной памяти, которое мы создали, может работать при намного более высоких температурах, в пределах 10 градусов по Цельсию, и такую память значительно проще поддерживать», — отмечает Радек Крапкиевич, аспирант и соавтор работы.

Основным элементом устройства памяти, созданного физиками Варшавского университета, является стеклянная камера 2,5 см в диаметре и 10 см в длину, стороны которой покрыты рубидием, а сама она наполнена инертным газом. Когда трубку медленно нагревают, пары рубидия заполняют камеру, в то время как инертный газ замедляет их движение и тем самым уменьшает шум. Когда квантовая информация хранится в такой камере, фотоны лазерного луча «отпечатывают» квантовые состояния на множестве атомов рубидия. В то же время испускаются и другие фотоны, а их обнаружение свидетельствует о том, что информация была сохранена. Информация, которая хранится в памяти, может быть извлечена с помощью другого специально подобранного лазерного импульса.

Для записи и получения квантовой информации ученые использовали передовые методы фильтрации света и инновационную камеру собственной конструкции. Эта камера, способная различать отдельные фотоны, отличается крайне низким уровнем шума и скоростью в десятки раз выше существующих камер.

«Стабильность квантовой информации, хранящейся в памяти, длится от нескольких микросекунд до десятков микросекунд. Вы можете задать вопрос, как же такая недолговечная память может быть вообще полезна, но имейте в виду, что все зависит от применения. В области телекоммуникации временные рамки в микросекундах являются вполне достаточными, чтобы сделать несколько попыток передачи квантового сигнала к следующей ретрансляционной станции», — подчеркивает Михаил Домбровский, докторант факультета.

Опытная работа с тонкими явлениями квантовой оптики позволила ученым Варшавского университета значительно снизить уровень шума в квантовых сигналах. При извлечении информации большая часть шума уносится фотонами, которые испускаются ячейками памяти, в другом направлении, отличном от того, в котором уходит квантовая информация.

Та же ячейка квантовой атомной памяти может хранить свет с разными типами пространственных мод (типов вибрации). Из этого следует, что наработки ученых обладают наибольшей доступной мощностью на данный момент. В реальном квантовом телекоммуникационном приложении одна ячейка этого нового типа может служить буфером памяти для нескольких оптоволоконных кабелей одновременно.