Физики из Боннского университета продемонстрировали квантовую запутанность между стационарным кубитом (квантовой системой с двумя состояниями) и фотоном с прямым подключением к оптическому волокну.

Шифрование данных таким образом, чтобы обеспечить безопасную связь, представляет собой постоянно растущую проблему, поскольку важнейшие компоненты современных систем шифрования не могут противостоять квантовым компьютерам будущего. Поэтому исследователи во всем мире работают над технологиями новых методов шифрования, которые также основаны на квантовых эффектах. Особенно важную роль здесь играет явление квантовой запутанности.

Квантовая запутанность — квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Это означает, что в квантовой сети стационарные кубиты сети запутаны в канале связи, который обычно состоит из фотонов (легких частиц). Впервые Физики из Боннского университета продемонстрировали квантовую запутанность между стационарным кубитом (квантовой системой с двумя состояниями) и фотоном с прямым подключением к оптическому волокну (фотоном волоконно-оптического резонатора). Результаты исследования публикует журнал npj Quantum Information.

Квантовые системы — часть технологий будущего. Когда носители квантовой информации (квантовые узлы) связаны между собой квантовыми каналами образуется квантовая сеть. С 2009 года ученые Боннского университета работают над реализацией узла квантовой сети, в котором отдельный ион в виде кубита памяти соединен с оптическим резонатором в качестве интерфейса света и материи.

Однако для распределения квантовой информации в сети стационарные кубиты сети должны быть связаны с каналом связи. Проблема в том, что квантовое состояние нельзя скопировать и передать классическим способом. В качестве канала связи обычно используются фотоны, которые трудно хранить, однако они позволяют быстро передавать информацию. Реализация эффективных интерфейсов между фотонами и стационарными кубитами имеет решающее значение для скорости передачи информации и масштабируемости квантовой сети.

В своей экспериментальной установке ученые реализовали особый интерфейс между светом и веществом. Для этого физики использовали оптический резонатор, состоящий из двух противоположных зеркал на торцах двух световодов. Также ученые удалили часть оптического волокна с помощью лазерного импульса, а затем покрыли его концы отражающим покрытием.

Конструкция и комбинация такого резонатора с одним — экспериментальная задача. Волокна и ион необходимо разместить с относительной точностью около одного микрометра относительно друг друга. Однако небольшой объем резонатора увеличивает взаимодействие света с веществом. Это обеспечивает широкую полосу пропускания для распределения квантовой информации в сети. Еще одно преимущество состоит в том, что волоконный резонатор приводит к внутренней связи фотонов с оптическими волокнами. Это значительно упрощает их распространение в сети.

С помощью своей экспериментальной установки ученым впервые удалось продемонстрировать квантовую запутанность между неподвижным кубитом и фотоном волоконно-оптического резонатора. Они заметили, что даже на расстоянии полутора метров отдельный ион и фотон разделяли общее запутанное квантовое состояние.

Результаты исследования буду полезны в распределенных квантовых вычислениях. Физики планируют и дальше развивать свою систему, например, улучшая стабильность границы раздела свет-материя и используя установку для распределения квантовых ключей.