Чтобы вывести квантовые сети на рынок, инженеры должны преодолеть хрупкость запутанных состояний в оптоволоконном кабеле и обеспечить эффективность доставки сигнала. Теперь ученые из Qunnect Inc. в Бруклине, Нью-Йорк, сделали большой шаг вперед, запустив именно такую сеть под улицами Нью-Йорка.
Хотя и раньше передавались запутанные фотоны, в среде волокна наблюдался слишком большой уровень шума и дрейфа поляризации, что не позволяло запутанности сохраняться, особенно в долговременной стабильной сети.
«Вот здесь и вступает в игру наша работа», — сказал Мехди Намази, соучредитель и главный научный сотрудник Qunnect. Проект сети, методы и результаты команды опубликованы в PRX Quantum.
Для своего прототипа сети исследователи Qunnect использовали арендованную 34-километровую оптоволоконную цепь, которую они назвали петлей GothamQ. Используя поляризационно-запутанные фотоны, они эксплуатировали петлю в течение 15 непрерывных дней, достигнув времени безотказной работы 99,84% и точности компенсации 99% для запутанных пар фотонов , передаваемых со скоростью около 20 000 в секунду. При полумиллионе запутанных пар фотонов в секунду точность все еще составляла почти 90%.
Поляризация фотона — это направление его электрического поля. (Это может быть проще понять в волновой картине света) Возможно, вы знакомы с этим явлением по поляризованным солнцезащитным очкам, которые представляют собой фильтры, пропускающие свет с одним направлением поляризации, но блокирующие другие, тем самым уменьшая блики, отраженные, например, от воды, снега и стекла.
Поляризованные фотоны полезны, поскольку их легко создавать, ими легко манипулировать (с помощью поляризованных фильтров) и измерять.
В последние годы поляризационно-запутанные фотоны использовались для создания крупномасштабных квантовых повторителей, распределенных квантовых вычислений и распределенных сетей квантовых датчиков.
Квантовая запутанность, предмет Нобелевской премии по физике 2022 года , представляет собой своеобразное квантовое явление, при котором частицы в квантовом состоянии имеют связь, иногда на большом расстоянии , так что измерение свойств одной из них автоматически определяет свойства других, с которыми она запутана.
В их конструкции инфракрасный фотон с длиной волны 1324 нанометра запутывается с ближним инфракрасным фотоном с длиной волны 795 нм. Последний фотон совместим по длине волны и полосе пропускания с атомными системами рубидия , такими как те, которые используются в квантовой памяти и квантовых процессорах. Было обнаружено, что дрейф поляризации зависит как от длины волны, так и от времени, что потребовало от Qunnect спроектировать и построить оборудование для активной компенсации на тех же длинах волн.
Для генерации этих запутанных двухцветных пар фотонов связанные входные пучки определенных длин волн направлялись через паровую ячейку, обогащенную рубидием-78, где они возбуждали атомы рубидия внутри ячейки, заставляя внешний электрон дважды переходить через 5p-орбиталь на 6s-орбиталь.
Из этого дважды возбужденного состояния иногда испускался фотон с длиной волны 1324 нм, а последующий распад электрона производил другой фотон с длиной волны 795 нм.
Они отправили через волокно пары фотонов с запутанной поляризацией длиной 1324 нм в квантовых суперпозициях, одно состояние с обеими горизонтальными поляризациями, а другое — с обеими вертикальными — двухкубитовая конфигурация, более известная как состояние Белла. В такой суперпозиции квантово-механические пары фотонов находятся в обоих состояниях одновременно.
Однако в оптических кабелях такие фотонные системы более подвержены возмущениям своей поляризации из-за вибраций, изгибов и колебаний давления и температуры в кабеле и могут потребовать частой повторной калибровки. Поскольку эти типы возмущений практически невозможно обнаружить и изолировать, не говоря уже о смягчении, команда Qunnect создала устройства автоматической компенсации поляризации (APC) для их электронной компенсации.
Отправляя классические, не запутанные, пары фотонов 1324 нм с известными поляризациями по волокну, они могли измерить, насколько сильно дрейфовала или модифицировалась их поляризация. Дрейф поляризации измерялся на четырех расстояниях передачи: ноль, 34, 69 и 102 км, отправляя классические фотоны ноль, один, два или три раза вокруг столичной петли под улицами Бруклина и Квинса. Затем они использовали APC для коррекции поляризации запутанных пар.
Демонстрация петли GothamQ от Qunnect была особенно примечательна своей продолжительностью, автоматическим характером времени работы и процентом безотказной работы. Она показала, как они написали, «прогресс в направлении полностью автоматизированной практической сети запутывания», которая потребуется для квантового интернета. Намази сказал, что «с тех пор, как мы закончили эту работу, мы уже сделали все части смонтированными в стойку, чтобы их можно было использовать где угодно» — объединенное оборудование, которое они называют Qu-Val.