Исследователи соединили две квантовых памяти оптоволокном длиной в 33 км. Это самое большое расстояние, на котором было достигнуто квантовое запутывание с использованием кабеля. Физики использовали систему из двух атомов рубидия в оптических ловушках. Модули квантовой памяти были размещены в двух удаленных лабораториях кампуса Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана и соединены оптоволоконным кабелем.

С помощью преобразователя частоты ученым удалось поддерживать квантовую запутанность на рекордном расстоянии. Лазерный импульс возбуждает атомы рубидия, после чего они спонтанно возвращаются в свое основное состояние, испуская каждый по фотону. Из-за сохранения углового момента спин атома запутан с поляризацией излучаемого им фотона. Ученые использовали эти частицы для квантово-механического соединения двух атомов. Они передали их по оптоволоконному кабелю на приемную станцию, где совместное измерение фотонов показывает квантовую запутанность.

Сложность передачи такого сигнала на большое расстояние связана с длиной волны испускаемого излучения. Большинство элементов используемых в качестве квантовой памяти излучают свет в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне. В стеклянных волокнах такие фотоны могут пройти около км, а потом теряются, объясняют ученые.

Схема экспериментальной установки. Фотоны с преобразованной частотой передаются на центральную станцию, где измеритель состояния Белла меняет запутанность. Источник: Tim van Leent et al, Nature

Чтобы преодолеть это ограничение, физики оптимизировали длину волны фотонов, передаваемых по сети. С помощью двух квантовых преобразователей частоты они увеличили первоначальную длину волны с 780 до 1517 нм. При этом исследователям удалось достигнуть беспрецедентной эффективности преобразования: 57%.

Наш эксперимент особенный тем, что мы действительно запутываем две стационарные частицы, то есть атомы, которые действуют как квантовая память. Это намного сложнее, чем запутывание фотонов, но открывает множество других возможных применений, – Тим ван Линт, физик из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана, соавтор публикации.

Исследователи считают, что система преобразования частот поможет в построении крупномасштабных квантовых сетей и создании безопасных протоколов квантовой связи.