Ученые впервые в мире смогли произвести, сохранить и извлечь квантовую информацию

Исследователи впервые произвели, сохранили и извлекли квантовую информацию — это стало важнейшим шагом в создании квантовых сетей. Возможность обмена квантовой информацией имеет решающее значение в создании квантовых сетей для распределенных вычислений и безопасной связи.

Квантовые вычисления будут полезны для решения некоторых важных задач:

• оптимизации финансовых рисков,
• расшифровки данных,
• конструирования молекул,
• изучения свойств материалов.

«Взаимодействие двух ключевых устройств — важнейший шаг на пути к созданию квантовых сетей, и мы очень рады, что стали первой командой, которой удалось это продемонстрировать», — сказала доктор Сара Томас.

Эта разработка тормозится, потому что квантовая информация может быть потеряна при передаче на большие расстояния. Один из способов преодолеть это препятствие — разделить сеть на более мелкие сегменты и связать их между собой общим квантовым состоянием.

Для этого необходимо средство для хранения квантовой информации и ее последующего извлечения — квантовое запоминающее устройство. Оно должно «общаться» с другим устройством, которое позволяет создавать квантовую информацию. Впервые исследователи создали такую систему, которая объединяет эти два ключевых компонента и использует обычное оптическое волокно для передачи квантовых данных.

Этого удалось добиться исследователям из Имперского колледжа Лондона, Саутгемптонского университета и университетов Штутгарта и Вюрцбурга в Германии. Соавтор работы Лукас Вагнер из Штутгартского университета сказал, что разрешить подключение удаленных объектов и квантовых компьютеров — важнейшая задача для будущих квантовых сетей.

В обычных телекоммуникационных системах — таких как Интернет или телефонные линии — информация может теряться на больших расстояниях. Для борьбы с этим в таких системах используются ретрансляторы в обычных точках, которые считывают и усиливают сигнал, гарантируя, что он дойдет до места назначения в целости и сохранности.

Однако классические ретрансляторы нельзя использовать с квантовой информацией, поскольку любая попытка прочитать и скопировать информацию приведет к ее уничтожению. С одной стороны, это преимущество, поскольку квантовые соединения нельзя «прослушать», не уничтожив информацию и не предупредив пользователей. Но это проблема, которую необходимо решить для создания квантовых сетей на больших расстояниях.

Один из способов преодоления этой проблемы — обмен квантовой информацией в виде запутанных частиц света, или фотонов. Запутанные фотоны имеют общие свойства, таким образом, невозможно понять одно без другого. Чтобы обмениваться запутанной информацией на больших расстояниях через квантовую сеть, нужны два устройства:

• для создания запутанных фотонов,
• для их хранения и последующего извлечения.

Существует несколько устройств, используемых для создания квантовой информации в виде запутанных фотонов и для ее хранения. Генерирование этих фотонов по требованию и наличие совместимой квантовой памяти для их хранения долгое время были недостижимы для исследователей.

Фотоны имеют определенную длину волны, но устройства для их создания и хранения часто настроены на работу с разными длинами волн, что не позволяет им взаимодействовать. Чтобы добиться  взаимодействия, команда создала систему, в которой оба устройства использовали одну и ту же длину волны.

«Квантовая точка» производила незапутанные фотоны, которые затем передавались в систему квантовой памяти, сохранявшей фотоны в облаке атомов рубидия. Лазер включал и выключал память, позволяя фотонам сохраняться и высвобождаться по требованию.

Длина волны совпала не только с длиной волны этих двух устройств, но и с длиной волны телекоммуникационных сетей, используемых сегодня, что позволяет передавать ее по обычным волоконно-оптическим кабелям, привычным для повседневных интернет-подключений.

Источник света для квантовых точек был создан исследователями из Штутгартского университета при поддержке Вюрцбургского университета, а затем доставлен в Великобританию для взаимодействия с устройством квантовой памяти, созданным командой Имперского университета и Саутгемптона. Система была собрана в подвальной лаборатории Имперского колледжа Лондона.

«На этот раз прорывом стало привлечение экспертов для разработки каждой части эксперимента с использованием специализированного оборудования и совместная работа над синхронизацией устройств», — сказал доктор Патрик Ледингем.

Хотя уже были созданы независимые квантовые точки и квантовая память, более эффективные, чем новая система, это первое доказательство того, что устройства могут быть созданы для взаимодействия на телекоммуникационных длинах волн. Теперь команда будет стремиться увеличить время хранения фотонов, уменьшить размер системы и улучшить систему, в том числе убедиться, что все фотоны производятся на одной и той же длине волны.

«Члены квантового сообщества уже некоторое время активно пытаются установить эту связь. В том числе и мы: мы уже дважды пытались провести этот эксперимент с различными устройствами памяти и квантовыми точками более пяти лет назад, что показывает, насколько сложно это сделать, однако это важный шаг вперед, как доказательство концепции», — говорит соавтор работы доктор Патрик Ледингем.

Ученые произвели прорыв в квантовой физике: теперь вычисления могут быть при комнатной температуре. Упорядочив поглощающие свет молекулы, физики из Японии сохранили критическое, еще не определенное состояние спинов электронов в течение 100 наносекунд при комнатной температуре. Эта инновация может оказать огромное влияние на прогресс в разработке квантовых технологий, которые не будут зависеть от громоздкого и дорогостоящего охлаждающего оборудования, необходимого в настоящее время для поддержания частиц в так называемой когерентной форме.