На шаг ближе к квантовому Интернету: Запутывание двух многомодовых квантовых запоминающих устройств

В 90-е годы прошлого века инженеры добились значительных успехов в области телекоммуникаций, распространив сеть на расстояния, выходящие за пределы городов и мегаполисов. Для достижения такого коэффициента масштабируемости использовались ретрансляторы, которые усиливали ослабленные сигналы и позволяли им распространяться на большие расстояния с теми же характеристиками, например интенсивностью или точностью. Теперь, с появлением спутников, совершенно нормально, находясь посреди гор в Европе, разговаривать со своими близкими, живущими в другой части света.

На пути к созданию будущего квантового Интернета квантовая память играет ту же роль. Вместе с источниками кубитов они являются строительными блоками этого нового интернета, выступая в роли квантовых ретрансляторов операций с данными и используя суперпозицию и запутанность в качестве ключевых компонентов системы. Но для работы такой системы на квантовом уровне необходимо создавать запутанность между квантовыми памятью на больших расстояниях и поддерживать ее как можно более эффективно.

Исследователи ICFO впервые спутали две многомодовые квантовые памяти. Разделенные более чем 10 метрами и работающие на телекоммуникационных частотах, они совместимы с существующими оптоволоконными сетями связи. Это большой шаг вперед на пути к созданию квантовых ретрансляторов для будущего квантового Интернета.

Все вместе в одном

В недавно опубликованном в журнале Nature исследовании ученые из ICFO Дарио Лаго, Самуэле Гранди, Алессандро Сери и Елена Раконьяк под руководством профессора ICREA Хьюга де Ридматтена добились масштабируемой, телекоммуникационной запутанности материи и вещества между двумя удаленными многомодовыми полупроводниковыми квантовыми памятью. Проще говоря, им удалось сохранить в течение максимум 25 микросекунд один-единственный фотон в двух квантовых памятью, расположенных на расстоянии 10 м друг от друга.

Крупный план кристалла, легированного редкоземельными элементами, используемого в качестве квантовой памяти. Credit: ©ICFO

Исследователи знали, что фотон находится в одной из двух памяти, но не знали, в какой именно, что подчеркивает это контринтуитивное представление о природе, которое позволяет фотону находиться в состоянии квантовой суперпозиции в двух квантовых памятью одновременно, но, что удивительно, на расстоянии 10 м друг от друга. Команда также знала, что запутанность создается при обнаружении фотона с телекоммуникационной длиной волны и сохраняется в квантовой памяти в мультиплексированном виде, «что сродни возможности одновременной передачи нескольких сообщений по классическому каналу». Эти две ключевые особенности были достигнуты впервые и определяют ступеньку к распространению этой схемы на гораздо большие расстояния.

Как с энтузиазмом отмечает Дарио Лаго, аспирант ICFO и первый автор исследования, «до сих пор некоторые из этапов, достигнутых в этом эксперименте, были выполнены другими группами, например, запутывание квантовой памяти или достижение хранения фотонов в квантовой памяти с очень высокой эффективностью и высокой скоростью. Но уникальность этого эксперимента заключается в том, что наши методы позволяют достичь очень высоких скоростей и могут быть распространены на большие расстояния».

Постановка эксперимента

Для достижения этой цели потребовались усилия и время. В течение нескольких месяцев команда ставила эксперимент, в котором в качестве основы для квантовой памяти использовался кристалл, легированный редкоземельными элементами.

Затем были взяты два источника, генерирующие коррелированные пары одиночных фотонов. В каждой паре один фотон, названный холостым, имеет длину волны 1436 нм (телекоммуникационная длина волны), а другой, названный сигнальным, — длину волны 606 нм. Одиночные сигнальные фотоны были отправлены в квантовую память, состоящую из миллионов атомов, беспорядочно расположенных внутри кристалла, и сохранены там по протоколу, называемому атомной частотной гребенкой. Одновременно с этим фотоны-бездельники, называемые также фотонами-вестниками или фотонами-посыльными, отправлялись по оптическому волокну в устройство, называемое сплиттером луча, где информация об их происхождении и пути следования полностью стиралась. Самуэле Гранди, постдокторант и соавтор исследования, комментирует: «Мы стерли все признаки, которые могли бы сказать нам, откуда пришли фотоны-бездельники, будь то источник 1 или 2, и мы сделали это потому, что не хотели знать никакой информации о сигнальном фотоне и о том, в какой квантовой памяти он хранится». В результате стирания этих признаков сигнальный фотон мог быть сохранен в любой из квантовых памяти, а значит, между ними возникла запутанность.

Схематическая иллюстрация экспериментальной установки и расположения лабораторий в здании ICFO. Credit: ©ICFO

Каждый раз, когда ученые видели на мониторе щелчок прихода холостого фотона к детектору, они могли подтвердить и убедиться в том, что запутанность действительно существует. Эта запутанность заключалась в том, что сигнальный фотон находился в состоянии суперпозиции между двумя квантовыми памятью, где он сохранялся в виде возбуждения, разделяемого десятками миллионов атомов в течение 25 микросекунд.

Как отмечают Сэм и Дарио, «самое любопытное в этом эксперименте то, что невозможно узнать, хранился ли фотон в квантовой памяти в лаборатории 1 или в лаборатории 2, которая находилась на расстоянии более 10 метров. Хотя это было главной особенностью нашего эксперимента, и мы вроде бы ожидали этого, результаты в лаборатории все равно были контринтуитивными, и еще более необычным и поразительным для нас было то, что мы могли управлять этим!»

Важность предвестников фотонов

В большинстве предыдущих исследований, в которых проводились эксперименты с запутанностью и квантовой памятью, для определения успешности запутывания квантовой памяти использовались фотоны-вестники. Фотон-вестник подобен голубю, и по его появлению ученые могут узнать, что запутывание между квантовыми воспоминаниями установлено. Когда это происходит, попытки запутывания прекращаются, и запутанность сохраняется в памяти перед анализом.

Авторы работы в своей лаборатории в ИКФО. Слева направо: Самуэле Гранди, Дарио Лаго, Елена Раконьяк, Алессандро Сери и Хьюг де Ридматтен. Credit: ©ICFO

В этом эксперименте ученые использовали предвестник фотона в телекоммуникационной частоте, подтвердив, что создаваемая запутанность может быть установлена с помощью фотона, совместимого с существующими телекоммуникационными сетями, что является важным достижением, поскольку позволяет создавать запутанность на больших расстояниях и, более того, позволяет легко интегрировать эти квантовые технологии в существующую классическую сетевую инфраструктуру.

Мультиплексирование — это ключ

Мультиплексирование — это способность системы передавать несколько сообщений одновременно по одному каналу передачи. В классических телекоммуникациях такой инструмент часто используется для передачи данных через Интернет. В квантовых ретрансляторах такая техника несколько сложнее. При использовании стандартной квантовой памяти необходимо дождаться, пока сообщение, предвещающее запутывание, вернется в память, и только после этого можно снова пытаться создать запутывание. Однако при использовании протокола атомной частотной гребенки, который позволяет использовать такой подход к мультиплексированию, исследователи смогли сохранить в квантовой памяти запутанные фотоны в разное время, не дожидаясь успешного события, сигнализирующего о запутанности, перед генерацией следующей запутанной пары. Это условие, называемое «временным мультиплексированием», является ключевой особенностью, позволяющей значительно увеличить время работы системы, что приводит к увеличению конечной скорости запутывания.

Будущие шаги

Как с энтузиазмом отмечает профессор ICREA в ICFO Хьюг де Ридматтен, «эта идея была задумана более 10 лет назад, и я очень рад, что теперь она удалась в лаборатории. Следующие шаги — вынести эксперимент за пределы лаборатории, попытаться соединить различные узлы вместе и распространить запутанность на гораздо большие расстояния, чем те, которые мы имеем сейчас. Фактически мы находимся в процессе создания первой квантовой линии связи длиной 35 км, которая будет проложена между Барселоной и ICFO в Кастельдефельсе».

Очевидно, что будущая квантовая сеть принесет множество применений в ближайшем будущем. Эта веха доказывает и подтверждает, что мы находимся на правильном пути развития этих революционных технологий и начинаем внедрять их в новый способ коммуникации — квантовый Интернет».

Справка: «Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories» Dario Lago-Rivera, Samuele Grandi, Jelena V. Rakonjac, Alessandro Seri and Hugues de Riedmatten, 2 June 2021, Nature . DOI: 10.1038/s41586-021-03481-8

Данное исследование получило частичное финансирование от исследовательского проекта Quantum Flagship Quantum Internet Alliance (QIA), фонда Гордона и Бетти Мур, а также Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, Generalitat de Catalunya, правительства Испании и других организаций.