Физики из Технического университета Делфта (Нидерланды) построили первую квантовую сеть, в которой скорость передачи квантовых состояний между кубитами превысила время их декогеренции (разрушения). В качестве кубитов ученые использовали NV-центры в алмазах, а для повышения эффективности сети исследователи модифицировали стандартную двухфотонную схему и максимально уменьшили влияние фоновых шумов. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Основная задача квантовой связи — «запутывание» систем, находящихся на противоположных концах линии, то есть синхронизация их квантовых состояний. Как правило, такую синхронизацию выполняют по следующей схеме. Сначала ученые случайным образом изменяют квантовое состояние системы, которую нужно запутать с системой на противоположном конце линии, и заставляют ее излучать фотоны, состояние которых связано с состоянием системы. Затем полученные фотоны передают по оптоволоконным кабелям (или любым другим способом) и сравнивают, дожидаясь момента, пока их состояния не совпадут. Как только такой момент наступает, синхронизация считается оконченной. Подробнее про квантовую запутанность и работу квантовых линий связи можно прочитать в наших материалах «Квантовая азбука: „Нелокальность“» и «Квантовая азбука: „Телепортация“».

Ключевыми параметрами квантовой сети, определяющими ее эффективность, является скорость генерации фотонов и скорость декогеренции (разрушения) квантовых систем. Первый из параметров определяет, как часто по линии связи можно передавать квантовые состояния (сто раз в секунду или один раз в час), а второй — как долго состояния сохраняются после передачи. Отношение этих скоростей называют эффективностью квантовой связи; чем выше эффективность, тем больше совпадают квантовые состояния систем на противоположных концах линии. В физике степень совпадения измеряют с помощью параметра «верности» (fidelity), который равен единице для запутанных состояний и нулю для абсолютно случайных состояний. Соответственно, в пределе нулевой эффективности линии «верность» равна одной четвертой (то есть квантовой запутанности нет), а в пределе бесконечно большой эффективности стремится к единице по довольно сложной формуле. Переломный момент, при котором «верность» становится больше ½, наступает при эффективности линии более 0,83. Проще говоря, при высокой частоте генерации фотонов и низкой скорости распада состояний запутать системы на противоположных концах линии легко, а в противоположном случае — сложно.

Зависимость «верности» при синхронизации квантовых состояний систем от эффективности квантовой сети. P. Humphreys et al. / Nature

Таким образом, для создания полноценной квантовой сети необходимо повысить скорость генерации фотонов и научиться как можно дольше сохранять состояния систем на противоположных концах линии, причем за обоими параметрами нужно следить одновременно. К сожалению, в настоящее время эффективность линий квантовой связи не превышает единицы, и непрерывно передавать состояниея не получается — вместо этого ученые используют постобработку, то есть дополнительно отслеживают моменты, в которые системы были запутаны. Например, частота генерации фотонов полупроводниковыми квантовыми точками достигает несколько килогерц, однако частота декогеренции подобных систем еще в десять тысяч раз больше, и итоговая эффективность квантовой сети исчезающе мала. Более перспективными квантовыми системами служат NV-центры — точечные дефекты в алмазе, которые получаются при удалении из его кристаллической решетки атома углерода и связывании возникшей вакансии с атомом азота. Частота генерации фотонов в подобных системах достигает десяти миллигерц, а частота декогеренции находится на уровне одного герца.

Именно такие системы группа физиков под руководством Рональда Хансона (Ronald Hanson) использовала для создания квантовой сети с рекордно большой эффективностью. В поставленном ими эксперименте NV-центры моделировали кубиты, состояние которых определялось проекцией спина центра, и находились на расстоянии около двух метров друг от друга. Изначально каждый из кубитов переводился путем оптической накачки (optical pumping) в состояние «спин вверх», а затем когерентно «поворачивался» в произвольное состояние под действием микроволнового импульса. Другими словами, итоговое состояние кубита представляло собой комбинацию состояний «вверх» и «вниз» с некоторыми коэффициентами, которые определялись параметрами импульса. После этого ученые облучали кубит лазером и заставляли его излучать запутанные фотоны — так, что вероятность обнаружить эти фотоны в сети определялись теми же коэффициентами, что и состояние кубита.

Схема синхронизации квантовых состояний. P. Humphreys et al. / Nature

Схема стандартной (слева) и модифицированной (справа) экспериментальной установки. P. Humphreys et al. / Nature

Кроме того, чтобы повысить скорость генерации фотонов и уменьшить частоту декогеренции, ученые модифицировали стандартную двухфотонную схему для передачи квантовой запутанности, добавив в нее стадию стабилизации состояний. На этом этапе ученые снова облучали кубиты лазером, использованном для оптической накачки, и ловили отраженные фотоны детектором, с помощью которого подтверждалась квантовая запутанность систем на одном из предыдущих этапов. На основании этих измерений физики подстраивали фазу фотонов, растягивая оптоволокно с помощью пьезоэлектрических моторчиков (piezoelectric fiber stretcher). Кроме того, исследователи как можно сильнее снизили влияние внешних фоновых шумов на состояние NV-центров. Это позволило им добиться увеличения времени декогеренции систем с пяти микросекунд до нескольких сотен миллисекунд (то есть примерно в сто тысяч раз). Частота генерации фотонов при этом находилась на уровне нескольких герц, что более чем в сто раз превышало результаты предыдущих экспериментов.

Более подробное описание этапа, на котором происходит стабилизация состояний. P. Humphreys et al. / Nature

В результате эффективность построенной физиками линии связи достигала десяти, что позволяло им получать запутанные состояния с высокой степенью «верности» и «на лету» корректировать возникающие расхождения между кубитами. Например, при частоте генерации фотонов около шести герц «верность» примерно равнялась F ≈ 0,82, а на частоте порядка сорока герц F ≈ 0,62. Постобработка данных при этом не требовалось. Таким образом, ученые впервые научились запутывать состояния быстрее, чем они начинали разрушаться. По словам авторов статьи, это достижение позволит в ближайшем будущем подключить к сети третье устройство и создать настоящий «квантовый интернет», по которому системы будут обмениваться квантовыми состояниями. Напомним, что в настоящее время все квантовые сети соединяют не более двух систем.

За последние десять лет дальность передачи информации по квантовым каналам связи выросла в несколько миллионов раз. Так, в 2009 году физикам удавалось передать квантовые состояния ионов на расстояние всего одного метра, а в сентябре 2017 года рекорд дальности квантовой связи, установленный китайскими физиками, составил более 7500 километров. Кроме того, ученые постоянно совершенствуют каналы связи, уменьшая в них число потерь и ускоряя исправление ошибок, которые неизбежно возникают при передаче запутанных фотонов. Эти достижения позволили ученым построить простейшие квантовые сети, которые работают в условиях мегаполиса. В частности, одна из таких сетей работает в Москве и используется для передачи ключей шифрования между двумя отделениями «Газпромбанка». Подробнее прочитать, как устроена эта линия, можно в нашем интервью с учеными, которые участвовали в ее постройке.

Автор: Дмитрий Трунин