Ключевая задача в создании квантовых сетей связи заключается в использовании квантового явления под названием «запутанность»: способности двух объектов быть неразрывно связанными независимо от расстояния между ними.
Когда производится измерение одного из объектов пары, это определяет результаты измерения, проводимого на другом. Однако передача запутанных частиц по существующим оптоволоконным каналам связи представляет собой серьёзную сложность. Вне идеальных лабораторных условий квантовые состояния частиц легко искажаются.
Теперь исследователям под руководством команды из Национального института стандартов и технологий США (NIST) удалось успешно передать частицы света (фотоны) по существующим сетевым кабелям на расстояние 62 километра без нарушения их запутанности. «Я бы назвал это стресс‑тестом квантовых сетевых систем», — говорит физик Ичэн Ши из NIST.
Хотя строго говоря это и не рекордное расстояние, оно примечательно благодаря особенностям установки: большая часть волоконно‑оптического кабеля, использованного в этом эксперименте, пролегала над землёй, а не под землёй, и была натянута между уличными столбами на участке между NIST и Университетом Мэриленда.
Эти кабели подвержены воздействию ветра, перепадов температуры и вибраций от всего, что их окружает, включая дорожное движение и пролетающих птиц. Окружающая среда влияет на поляризацию фотонов — направление, по которому колеблется их электрическое поле и в котором содержится информация о запутанности. «Это, по сути, самая плохая связь из всех, какие только можно себе представить», — говорит физик Оливер Слэттери из NIST.
Чтобы обойти эту проблему интерференции, исследователи использовали лазерный сигнал в качестве эталона. Рассчитав степень скручивания этого лазерного света, команда смогла применить соответствующие поправки к запутанным фотонам. Требовалась некоторая череда запутанных фотонов и лазерного света, но на это уходило лишь 7,2 процента времени работы в ходе эксперимента. Остальные 92,8 процента можно было использовать для передачи стабилизированной квантовой информации.
«Наши результаты демонстрируют возможность передачи фотонов, запутанных по поляризации, в сложных условиях оптоволоконной линии, что является важным шагом на пути к практическому внедрению квантовых сетей», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.
Несмотря на то, что результаты этого реального испытания выглядят обнадёживающими, предстоит ещё много работы. Скорость передачи в 200–1 500 запутанных фотонов в секунду — неплохой показатель, но для создания квантового интернета его необходимо повысить. Тем не менее, это исследование предоставляет дополнительные доказательства того, что квантовые сети — технология, заслуживающая дальнейшего развития. Один из возможных вариантов её применения — соединение телескопов, расположенных в двух разных точках Земли: запутанные фотоны позволят им работать как единый гигантский прибор.
Кроме того, эти системы могут обеспечить повышение квантовой безопасности в Интернете. Сетевые узлы, расположенные на большом расстоянии друг от друга, смогут обмениваться секретным «кодом» для проверки данных, который невозможно перехватить во время передачи — ведь код устанавливается только после проверки.
«Это демонстрация того, что протоколы квантовых сетей могут работать в реальных условиях», — сказал Ши.
