Физикам из Китая впервые удалось запутать два узла квантовой памяти через оптоволокно длиной 50 километров. Для создания квантовых корреляций между узлами, каждый из которых содержал 100 миллионов охлажденных атомов, ученые использовали фотоны на телекоммуникационных частотах. Этот эксперимент в будущем позволит создавать крупномасштабные квантовые сети, что может помочь развитию квантового интернета. Статья опубликована в Nature.

Квантовая коммуникация требует передачи запутанных состояний на большие расстояния. В последние десятилетия был достигнут заметный прогресс в создании масштабной запутанности, при которой фотоны передаются между узлами по оптоволокну или через спутник. Однако серьезные потери при передаче состояний, которые возникают из-за неидеальной среды, не дают ученым правильным образом распределить фотоны между узлами. Кроме того, последние эксперименты по созданию запутанности между квантовыми системами, способными хранить информацию достаточно долго (квантовая память), показали, что при существующих подходах невозможно распределить запутанные фотоны между узлами памяти на расстоянии больше 1,3 километра.

Цзянь-Вэй Пан (Jian-Wei Pan) и Сяо-Хуэй Бао (Xiao-Hui Bao) из Научно-технического университета Китая и их коллеги создали запутанное состояние двух узлов из ансамблей охлажденных атомов, помещенных в резонатор. Узлы были связаны оптоволокном, а запутанность строилась через фотоны, частоты которых были сдвинуты таким образом, чтобы потери в оптоволокне были минимальными. Этот трюк позволил физикам создать рекордно большое запутанное состояние.

Каждый узел содержал в себе 100 миллионов охлажденных атомов рубидия, помещенных в оптическую ловушку и охлажденных лазером. Физики установили ловушки в резонатор для улучшения считывания квантового состояния и уменьшения шума. В качестве исследуемого долгоживущего состояния использовалось коллективное возбуждение атомов — такая система формирует квантовую память.

Запутанность создавалась в несколько этапов. Сначала необходимо создать локальную запутанность между ансамблем атомов и фотонами-переносчиками. Затем частота фотона-переносчика, который знает о состоянии первого ансамбля, изменяется с целью сокращения дальнейших потерь в оптоволкне. То же самое происходит со вторым ансамблем и его фотонами: фотоны отправляются по оптоволокну на станцию для измерения корреляций между фотонами-переносчиками от первого и от второго узла с помощью белловских измерений.

В результате ученым удалось подтвердить запутанность на расстоянии 50 километров с вероятностью 83,2 процента. Для этого они разместили оба узла в лаборатории Научно-технического университета Китая, а станцию для измерения запутанности в научном парке Хэфэя. Локации были соединены двумя каналами оптоволокна длиной 25 километров, а по каждому каналу отправлялись фотоны-переносчики.

Два узла квантовой памяти находились в лаборатории Научно-технического университета Китая (USTC), а станция для измерения запутанности в Hefei Software Park.
Два узла квантовой памяти находились в лаборатории Научно-технического университета Китая (USTC), а станция для измерения запутанности в Hefei Software Park.

Результаты эксперимента показывают, что, по сравнению со запутанностью фотон-фотон, которую часто используют в квантовых сетях, запутанность атом-фотон лучше подходит для передачи квантовой информации на большие расстояния.

В сентябре 2017 года эта же группа ученых установила рекорд дальности квантовой связи: с помощью спутника ученые телепортировали квантовое состояние на расстояние более 7500 километров.