Мечта о глобальном квантовом интернете опирается на способность передавать запутанные частицы на огромные расстояния. Однако хрупкость квантовых состояний делает их крайне чувствительными к любым внешним помехам, превращая обычные оптоволоконные сети в агрессивную среду. Последние достижения физиков показывают, что разрыв между стерильными лабораториями и хаотичной городской инфраструктурой наконец сокращается. Успешный эксперимент по передаче запутанности через существующие линии связи доказывает, что текущая сетевая база способна стать фундаментом для квантовой революции.
Фундаментом будущего квантового интернета является передача запутанных фотонов — частиц, чьи квантовые характеристики остаются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними. Такая связь позволяет создавать абсолютно защищенные каналы передачи данных и объединять удаленные квантовые процессоры в единую распределенную вычислительную сеть. Однако на практике квантовая запутанность крайне нестабильна: любое внешнее воздействие может привести к декогеренции, и если в лабораторных условиях этот процесс контролируем, то в реальных городских сетях он становится главной преградой.
Недавний эксперимент, проведенный между Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Мэриленда, стал важным этапом в преодолении этого барьера. Исследователям удалось передать запутанные фотоны на расстояние 62 км, используя обычные линии надземной связи. Критическим аспектом стало то, что около 70% маршрута проходило по воздушным кабелям. В отличие от защищенных подземных трасс, такие линии подвержены влиянию ветра, температурных колебаний и вибраций от городского транспорта.
Подобные внешние факторы вызывают эффект двулучепреломления в оптическом волокне, что приводит к спонтанному изменению поляризации проходящего света. Для квантовых состояний, где информация закодирована именно в поляризации, такие флуктуации фатальны. Тем не менее, эксперимент подтвердил, что даже в условиях нестабильной инфраструктуры поляризационную запутанность можно поддерживать достаточно долго для полноценного функционирования сети.
Техническая реализация процесса опиралась на создание пар фотонов в состоянии Белла $\Phi^+$. В этом состоянии горизонтальная и вертикальная поляризации фотонов строго коррелируют между собой. Один фотон из пары оставался в лаборатории NIST в качестве сигнального, а второй отправлялся по 62-километровому волокну. Общие потери сигнала составили около 21 дБ, включая потери в самой линии и потери на разъемах и вспомогательном оборудовании. Для регистрации частиц использовались сверхпроводниковые нанопроволочные однофотонные детекторы с эффективностью более 70%. В результате из исходного потока в 200 тысяч пар в секунду на приемном конце регистрировалось примерно 1500 совпадающих пар.
Ключевым технологическим решением стала система непрерывной компенсации поляризации. Чтобы стабилизировать канал, через линию периодически пропускали опорный лазерный сигнал мощностью 0,5 мВт на длине волны 1549,32 нм. Система анализировала, как меняются эталонные состояния поляризации, и с помощью специального алгоритма восстанавливала их. Если достоверность эталонных состояний падала ниже 98%, автоматически запускался цикл коррекции до достижения уровня 99%. Важно, что квантовая передача и калибровочный лазер работали попеременно, чтобы интенсивный свет опорного сигнала не «ослепил» сверхчувствительные детекторы одиночных фотонов.
Результаты суточного теста оказались впечатляющими: система тратила на коррекцию поляризации лишь 7,2% времени, оставляя почти 93% окна для передачи квантовых данных. Без активной стабилизации качество передачи стремительно падало, и восстановить запутанное состояние было невозможно. Это доказывает, что даже низкокачественная кабельная инфраструктура может быть пригодна для квантовых коммуникаций при наличии эффективных механизмов коррекции. Несмотря на то, что скорость передачи данных пока остается низкой, сам факт успешного преодоления «шумной» среды открывает путь к созданию реальных квантовых сетей на базе уже существующих коммуникаций.
Технология невесомых линз нового поколения
