Инженеры из Иллинойса, а именно из Граинджеровского инженерного колледжа при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, сделали важный шаг к тому, чтобы квантовый интернет перестал быть фантастикой. Они придумали, как строить квантовые сети, которые можно масштабировать — то есть увеличивать до промышленных размеров, не теряя в качестве. Свою работу, опубликованную в авторитетном журнале Nature Physics, они посвятили атому иттербия-171.

Проблема в том, что большинство квантовых систем работают на длинах волн, которые человеческий глаз видит как зелёный или фиолетовый свет. Для передачи сигнала на большие расстояния такой свет нужно преобразовывать в телекоммуникационный диапазон — тот самый, в котором работает оптоволоконный интернет. Но процесс этого преобразования неизбежно вносит шумы и теряет сигнал. Группа физиков под руководством Джейкоба Кови, доцента кафедры физики, обошла это препятствие. Они выбрали иттербий-171 — особенный атом, популярный среди квантовых физиков благодаря своей уникальной внутренней структуре. Они доказали, что можно связать такой атом напрямую с фотоном (частицей света) в телекоммуникационном диапазоне, и тогда необходимость в сложной конвертации отпадает сама собой.

Линтао Ли, ведущий автор статьи и постдок из Иллинойса, рассказывает, что изначально они хотели работать с зелёным фотоном, но потом решили попробовать переход на длине волны 1389 нанометров.

Это оказалось золотой серединой: линия не настолько широкая, чтобы требовать супердорогих лазеров и сложного управления временем, и не настолько узкая, чтобы скорость генерации фотонов падала ниже уровня, при котором сигнал тонет в шумах. И всё это — без использования оптического резонатора для сбора света.

Впервые в мире учёные использовали целую линейку нейтральных атомов иттербия-171, чтобы создать запутанность между атомом и фотоном прямо в рабочем телеком-диапазоне. Если представить, что каждый атом — это точка в массиве, а оптоволокно — это ниточка к нему, то получается протокол связи, который можно наращивать почти бесконечно. Причём их интерфейс, совместимый с оптоволокном и работающий с высокой точностью, позволяет одним кубитам спокойно хранить информацию, пока другие занимаются передачей.

Саймон Ху, аспирант инженерной физики, с гордостью отмечает, что им удалось достичь очень высокой точности запутывания атома и фотона.

Более того, протокол можно распараллелить благодаря интеграции с волоконным массивом. Это открывает дверь для множества захватывающих приложений.

Правда, как это часто бывает с передовыми разработками, без недостатков не обошлось. Сейчас инженеры упираются в низкую эффективность сбора фотонов. Проще говоря, света получается мало, и из-за этого скорость обмена информацией пока невысока. В планах — улучшить методы сбора и глубже интегрировать атомные системы в масштабируемые сети.

Глория Цзя, соавтор исследования и тоже постдок, поясняет:

Когда сеть станет по-настоящему большой, фотон перестанет быть конечной целью.

Исследователи хотят получать запутанность «атом-атом», где фотон выступает лишь посредником. Параллельно они работают над проектом с оптическим резонатором, чтобы повысить эффективность сбора сигнала.

Метод иллинойсских инженеров пригодится не только для квантовых компьютеров. Сегодня иттербий в оптических решетках — один из лучших вариантов для атомных часов, от которых зависит работа GPS и спутниковой навигации. Оказывается, массивы атомов иттербия могут сделать такие часы ещё точнее, преодолев классические ограничения точности.

Саймон Ху добавляет, что большинство современных атомных часов созданы по технологиям прошлого века. Новое поколение часов на оптических стандартах частоты должно стать гораздо стабильнее и точнее. Но чтобы превратить их в коммерческий продукт, нужно уметь соединять и синхронизировать такие часы по всему миру. И масштабируемая квантовая сеть, которую они продемонстрировали, как раз и есть тот самый ключевой ингредиент.

Обычно, когда читаешь новости о квантовых технологиях, кажется, что их применение лежит где-то   в области чистой науки или футуристических проектов. Но здесь польза прослеживается по двум конкретным направлениям, которые коснутся каждого из нас.

• Во-первых, это навигация. Сейчас положение вашего смартфона определяют сигналы спутников, внутри которых летают атомные часы. Они хороши, но у них есть предел точности. Разработка иллинойсских физиков предлагает способ соединить такие часы в единую сеть, словно сплести их в общий ансамбль. Если оптические часы на иттербии научатся работать синхронно благодаря квантовой запутанности, погрешность времени снизится на порядки. Это значит, что автономные автомобили будут понимать своё местоположение с точностью до сантиметров, а финансовая система — получать абсолютно точные временные метки для транзакций. В сущности, они создают не просто сеть, а скелет для глобальной системы синхронизации нового поколения.
• Во-вторых, это архитектура вычислений. Мы привыкли, что компьютер должен быть монолитным. Но физические ограничения мешают бесконечно наращивать мощность одного квантового процессора. Группа Кови предлагает элегантный выход: строить квантовые компьютеры модульными, как гигантские конструкторы. Модули (небольшие массивы атомов) соединяются друг с другом через оптоволокно на тех же самых телекоммуникационных длинах волн. Прямое подключение к существующей оптоволоконной инфраструктуре означает, что такие модули теоретически можно разносить на километры друг от друга, объединяя их в мощный распределённый вычислительный центр. Это не просто «очередной шаг», это смена парадигмы: от борьбы с масштабированием внутри одного чипа к элегантному объединению множества „кубитных фабрик“ через сеть.

И все же исследователи сами честно указывают на главное узкое место: низкая эффективность сбора фотонов. И это не техническая мелочь, а фундаментальное ограничение, которое может свести на нет все преимущества масштабируемости.

Проблема в том, что для создания устойчивой квантовой сети нужны не просто отдельные события запутывания, а детерминированность — то есть гарантия, что каждый раз, когда мы «вызываем» фотон для связи, он действительно ловится и работает. Сейчас же, судя по тексту, эффективность настолько низка, что скорость наращивания запутанности между узлами сети будет исчисляться единицами или долями герц. В лабораторных условиях это допустимо, но для реальной сети, где нужно быстро обмениваться состояниями между сотнями кубитов, такая „черепашья скорость“ станет непреодолимым барьером.

Кроме того, хотя авторы и называют работу «параллелизуемой» за счет волоконного массива, сама демонстрация параллельной работы нескольких узлов в тексте описана скорее как потенциальная возможность. Ключевой эксперимент по одновременной работе нескольких каналов связи в массиве, с сохранением когерентности и без перекрестных помех (кросс-токов), вероятно, ещё впереди. Пока же мы видим доказательство принципа на одном или нескольких каналах, но не полноценную работу „квантовой печатной платы“ с десятками параллельных соединений. Пока эти два вопроса — скорость и реальная многоканальность — не будут решены одновременно, говорить о практической масштабируемости преждевременно.

Ранее ученые разработали метод, ускоряющий квантовые расчеты в химии.