Мрія про глобальний квантовий інтернет базується на можливості передачі заплутаних частинок на колосальні відстані. Проте крихкість квантових станів робить їх надзвичайно вразливими до будь-яких зовнішніх перешкод, перетворюючи стандартні оптоволоконні мережі на вороже середовище. Останні досягнення фізиків свідчать про те, що прірва між стерильними лабораторіями та хаотичною міською інфраструктурою нарешті звужується. Успішний експеримент із передачі квантової заплутаності через існуючі лінії зв'язку доводить: сучасна мережева інфраструктура цілком здатна стати фундаментом для квантової революції.
Фундаментом майбутнього квантового інтернету є передача заплутаних фотонів — частинок, чиї квантові характеристики залишаються взаємопов'язаними незалежно від відстані між ними. Такий зв'язок дозволяє створювати абсолютно захищені канали передачі даних і об'єднувати віддалені квантові процесори в єдину розподілену обчислювальну мережу. Однак на практиці квантова заплутаність є надзвичайно нестабільною: будь-який зовнішній вплив може призвести до декогеренції, і якщо в лабораторних умовах цей процес є контрольованим, то в реальних міських мережах він стає головною перешкодою.
Недавній експеримент, проведений спільно Національним інститутом стандартів і технологій (NIST) та Університетом Меріленда, став визначним етапом у подоланні цього бар'єру. Дослідникам вдалося передати заплутані фотони на відстань 62 км, використовуючи звичайні лінії надземного зв'язку. Критичним аспектом стало те, що близько 70% маршруту проходило повітряними кабелями. На відміну від захищених підземних трас, такі лінії піддаються впливу вітру, температурних коливань та вібрацій від міського транспорту.
Подібні зовнішні фактори спричиняють ефект двозаломлення в оптичному волокні, що призводить до спонтанної зміни поляризації світла, що проходить крізь нього. Для квантових станів, де інформація закодована саме в поляризації, такі флуктуації є фатальними. Проте експеримент підтвердив, що навіть в умовах нестабільної інфраструктури поляризаційну заплутаність можна підтримувати достатньо довго для повноцінного функціонування мережі.
Технічна реалізація процесу спиралася на створення пар фотонів у стані Белла $\Phi^+$. У цьому стані горизонтальна та вертикальна поляризації фотонів суворо корелюють між собою. Один фотон із пари залишався в лабораторії NIST як сигнальний, а другий відправлявся 62-кілометровим волокном. Загальні втрати сигналу склали близько 21 дБ, включаючи втрати в самій лінії, а також на роз'ємах та допоміжному обладнанні. Для реєстрації частинок використовувалися надпровідні нанодротяні однофотонні детектори з ефективністю понад 70%. У результаті з вихідного потоку у 200 тисяч пар на секунду на приймальному кінці реєструвалося приблизно 1500 співпадаючих пар.
Ключовим технологічним рішенням стала система безперервної компенсації поляризації. Щоб стабілізувати канал, через лінію періодично пропускали опорний лазерний сигнал потужністю 0,5 мВт на довжині хвилі 1549,32 нм. Система аналізувала, як змінюються еталонні стани поляризації, і за допомогою спеціального алгоритму відновлювала їх. Якщо достовірність еталонних станів падала нижче 98%, автоматично запускався цикл корекції до досягнення рівня 99%. Важливо, що квантова передача та калібрувальний лазер працювали поперемінно, щоб інтенсивне світло опорного сигналу не «засліпило» надчутливі детектори одиничних фотонів.
Результати добового тесту виявилися вражаючими: система витрачала на корекцію поляризації лише 7,2% часу, залишаючи майже 93% вікна для передачі квантових даних. Без активної стабілізації якість передачі стрімко падала, і відновити заплутаний стан було неможливо. Це доводить, що навіть низькоякісна кабельна інфраструктура може бути придатною для квантових комунікацій за наявності ефективних механізмів корекції. Попри те, що швидкість передачі даних поки що залишається низькою, сам факт успішного подолання «шумного» середовища відкриває шлях до створення реальних квантових мереж на базі вже існуючих комунікацій.
Технологія надлегких лінз нового покоління
