Квантовая сеть в Бостоне: как алмазы становятся основой будущего интернета

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мир стремительно движется к эпохе квантовых технологий, где информация будет кодироваться и передаваться не привычными нам битами, а квантовыми состояниями. Одна из ключевых задач на пути к этой революции — создание устойчивой квантовой сети, где информация может передаваться на большие расстояния.


Квантовая сеть в Бостоне, вольная интерпретация
Автор: Designer

В сердце этой задачи лежит явление квантовой запутанности, которое позволяет связывать квантовые системы, находящиеся на большом расстоянии друг от друга. Одной из ключевых областей исследования в сфере квантовых коммуникаций является разработка устойчивых узлов квантовой памяти, которые способны хранить и обрабатывать квантовую информацию, передаваемую по волоконно-оптическим каналам.

В новой работе, опубликованной в журнале Nature, ученые из Гарвардского университета и AWS Center for Quantum Networking представили экспериментальную реализацию квантовой сети, состоящей из двух узлов квантовой памяти, построенных на основе центров кремния-вакансии (SiV) в алмазах.

a, Экспериментальная установка. Каждый SiV локализован в нанофотонном резонаторе в индивидуально управляемом криостате, который поддерживается при температуре ниже 200 мК в двух разных лабораториях. Расстояние прямой видимости между двумя SiV составляет 6 м. Для доставки микроволновых и радиочастотных импульсов к SiV используется золотой копланарный волновод. Оба узла квантовой сети соединены оптическим волокном длиной a ≈ 20 м и частотно-сдвиговой установкой для компенсации разницы в частотах оптических переходов, либо длинным телекоммуникационным волокном с использованием QFC (рис. 4a). Измерение фотонного квита с временной задержкой производится в узле B с помощью интерферометра с временной задержкой (TDI), который измеряет квит с временной задержкой в базисе |+-⟩ ∝ (|e⟩ +- |l⟩). b, Слева, энергетические уровни 29SiV, показывающие микроволновые и радиочастотные переходы в двухквантовом многообразии (синие и бирюзовые стрелки) и спин-сохраняющие оптические переходы (красные и оранжевые). Справа, спектр отражения полостной QED-системы узла A показывает электронно-спин-зависимое отражение полости. Пунктирная линия указывает на частоту максимального контраста отражения, которая используется в качестве частоты для считывания спинового состояния электрона и фотонной запутанности. Норма, нормализованная.
Автор: Knaut, C.M., Suleymanzade, A., Wei, YC. et al. Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network. Nature 629, 573-578 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07252-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Как работает квантовая сеть на основе SiV-центров?

SiV-центры, представляющие собой дефекты в кристаллической решетке алмаза, обладают уникальными свойствами, делающими их идеальными кандидатами для квантовых сетей. В их структуре можно выделять два типа спиновых состояний — электронный спин и спин ядра атома 29Si. Электронный спин, являясь «рабочим» кубитом, взаимодействует с фотонами света, а ядро 29Si служит долгоживущим хранилищем квантовой информации.

a, Последовательность генерации запутанности. Фотонный кубит запутывается со спином электрона в узле A с помощью e-γ ворот. Второй e-γ-затвор запутывает фотонный кубит с узлом B, генерируя GHZ-состояние между двумя электронными кубитами и фотонным кубитом. Измерение фотонного кубита в базисе |+-⟩ предвещает генерацию электронного состояния Белла. b, Результаты измерения состояния Белла. Измеренные корреляции в базисах ZZ, XX и YY электронного спина, соответствующие верности белловского состояния(синий) и(красный). Пунктирные полосы показывают корреляции, предсказанные теоретической моделью с использованием независимо измеренных параметров работы нашей системы. c, Размах среднего числа фотонов фотонного кубита, показывающий, что процент успеха может быть увеличен путем отправки фотонных кубитов с более высоким средним числом фотонов. Средняя достоверность сгенерированных и построены графики. На вставке — достоверность состояний, показанных в б. Показано, что запутанность сохраняется выше классического предела (пунктирная линия) для частоты успеха до 1 Гц. Залитые кривые показывают предсказания теоретической модели, использующей независимо измеренные параметры работы нашей системы (Дополнительная информация). Планки ошибок в b и c равны 1 с.д.
Автор: Knaut, C.M., Suleymanzade, A., Wei, YC. et al. Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network. Nature 629, 573-578 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07252-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Важной особенностью SiV-центров является возможность их интеграции с нанофотонными резонаторами. Резонатор, представляющий собой микроскопическую полость, позволяет значительно усилить взаимодействие между электронным спином и фотонами света, делая систему более эффективной.

Создание запутанных состояний на расстоянии

В эксперименте ученые использовали два SiV-центра, расположенных в разных лабораториях. Каждый центр был интегрирован с нанофотонным резонатором и обладал двумя кубитами — электронным и ядерным. Для создания запутанных состояний между электронными спинами двух центров, исследователи применили специальный тип «ворота» — (e-γ gate).

Данные «ворота» реализуют последовательность микроволновых импульсов, которые управляют электронным спином SiV-центра, запутывая его состояние с состоянием фотона. Фотон, несущий информацию о запутанном состоянии, затем передаётся другому SiV-центру, где происходит аналогичная операция. В результате этой последовательности действий, ученые получают запутанную пару электронных спинов, разделенных значительным пространством.

Длинная память для квантовой информации

Однако электронные спины имеют ограниченное время когерентности, что ограничивает дальность распространения запутанности. Для преодоления этой трудности исследователи использовали ядерные спины 29Si, которые обладают значительно более продолжительным временем жизни.


Чтобы запутать ядерные спины, ученые использовали другой тип «ворот» — PHONE gate (photon-nucleus entangling gate). Данный «ворота» напрямую связывает ядерный спин с фотоном, используя электронный спин в качестве «помощника». Для повышения надежности создания запутанных состояний, ученые разработали методику обнаружения и исправления ошибок, возникающих во время реализации PHONE gate.

Передача запутанных состояний через 40 километров

Для передачи запутанных состояний на значительные расстояния требуется использование волоконно-оптических каналов. Однако свет, излучаемый SiV-центрами, имеет длину волны 737 нанометров, что приводит к большим потерям сигнала в оптическом волокне.

a, Схема установки QFC. В узле A фотонный кубит преобразуется вниз с 737 нм до 1350 нм, что позволяет ему распространяться с малыми потерями в телекоммуникационных одномодовых волокнах. В узле B он снова преобразуется в 737 нм. Частоты лазеров накачки в установках апконверсии и даунконверсии отклонены на Δω = 13 ГГц, чтобы компенсировать разницу в оптических частотах двух SiV. b, Показатели верности Bell-состояния ядерного спина для различных длин катушек телекоммуникационного волокна между двумя узлами. Запутанность сохраняется при длине волокна до 40 км. Декогеренция Bell-состояния может быть объяснена моделью, включающей уменьшение отношения сигнал/шум из-за темных отсчетов на частоте 2,7 Гц и шумовых фотонов преобразования на частоте 2,5 Гц (сплошная линия). Пунктирная линия показывает классический предел. c, Результаты измерения состояния Белла состояния, созданного с помощью развернутой волоконной линии длиной 35 км, показанной в d, что привело к точности. Пунктирные полосы показывают корреляции, предсказанные теоретической моделью с использованием независимо измеренных параметров работы нашей системы. d, Маршрут развернутой волоконно-оптической линии связи, соединяющей узлы A и B. Она состоит из 35 км развернутого телекоммуникационного волокна, проложенного к месту установки и обратно, пересекающего четыре муниципалитета в большом Бостонском столичном регионе. Планки ошибок в b и c равны 1 с.д. Масштабная линейка — 1 000 м (d).
Автор: Knaut, C.M., Suleymanzade, A., Wei, YC. et al. Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network. Nature 629, 573-578 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07252-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Чтобы обойти это ограничение, исследователи использовали двунаправленное квантовое преобразование частоты (QFC). QFC позволяет сдвинуть длину волны фотона из видимого спектра в инфракрасный, который имеет значительно более низкие потери в оптическом волокне.

Благодаря QFC, ученым удалось передать запутанные состояния ядерных спинов через волокно длиной до 40 километров. В дополнительном эксперименте они продемонстрировали работу системы в реальных условиях городской среды, передавая запутанность через 35-километровую петлю оптического волокна, установленную в Бостоне.

Перспективы развития

Результаты работы демонстрируют огромный потенциал систем на основе SiV-центров для построения практичных квантовых сетей. В будущем данная технология может быть использована в разнообразных сферах, включая безопасную квантовую коммуникацию, распределенные квантовые вычисления, и квантовые сенсоры.

Разработка квантовых сетей — это задача, требующая значительных усилий в разных областях науки. Однако успехи, достигнутые в данной работе, доказывают реальность и важность этой цели. Создание практичных квантовых сетей может принести революционные изменения в различных сферах нашей жизни, от научных исследований до информационной безопасности.