Новое устройство может соединять сразу десять квантовых битов с отдельными фотонами, что открывает возможности для объединения квантовых компьютеров по всему миру.
Квантовые сети часто называют интернетом будущего, однако их функционирование будет значительно отличаться от привычных современных компьютерных сетей. Вместо электрических сигналов информация будет передаваться с помощью частиц света — фотонов. Такие сети создадут абсолютно защищенные каналы связи, объединят удаленные квантовые компьютеры в мощную систему и обеспечат сенсорные системы с беспрецедентной точностью.
Для формирования квантовой сети необходимы специальные узлы, способные хранить квантовую информацию и обмениваться ею через фотоны. Научная группа из Университета Инсбрука под руководством Бена Ланьона продемонстрировала функционирование такого узла, использовав цепочку из десяти ионов кальция в прототипе квантового компьютера.
Процесс осуществляется следующим образом: с помощью электрических полей ионы последовательно перемещаются в оптический резонатор — специальную камеру, где свет взаимодействует с веществом. Там точно настроенный лазерный импульс заставляет ион испустить единственный фотон, свойства которого становятся квантово связанными с состоянием иона. Это явление называется квантовой запутанностью: изменение состояния иона мгновенно отражается на фотоне, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга.
В результате формируется поток фотонов, каждый из которых связан со своим ионом-кубитом в регистре. В будущем эти фотоны смогут перемещаться к удаленным узлам сети и устанавливать квантовую связь между отдельными устройствами. Ученые достигли точности ион-фотонного запутывания в 92%, что подтверждает надежность предложенного метода.
«Одним из главных преимуществ этой техники является ее масштабируемость», — отмечает Бен Ланьон. «Если более ранние эксперименты позволяли соединить лишь два или три ионных кубита с отдельными фотонами, наша установка может быть расширена до значительно больших регистров, потенциально содержащих сотни ионов и более».
Это открывает перспективу соединения целых квантовых процессоров между лабораториями или даже континентами. «Наш метод — это шаг к созданию более крупных и сложных квантовых сетей», — говорит соавтор работы Марко Кантери. «Он приближает нас к практическому использованию квантовых технологий».