Учёные из США совершили шаг, который может радикально изменить представления о возможностях квантовых сетей. Им удалось увеличить расстояние, на котором квантовые компьютеры могут обмениваться данными, более чем в 200 раз — с нескольких километров до двух тысяч. Это достижение открывает путь к созданию глобального квантового интернета, где суперкомпьютеры смогут работать в единой распределённой системе, независимо от их географического положения.
До недавнего времени главной проблемой квантовых коммуникаций оставалась нестабильность квантовой когерентности — состояния, в котором атомы сохраняют запутанность. При потере когерентности информация разрушалась, а связь обрывалась. Новая технология позволяет значительно продлить этот период, что делает возможной передачу данных на дистанции, ранее считавшиеся недостижимыми.
Связывание квантовых компьютеров осуществляется через оптоволоконный кабель с помощью запутанных атомов. Чем дольше эти атомы остаются в когерентном состоянии, тем дальше можно передавать сигнал без потери информации. Исследовательская группа из Чикагского университета добилась впечатляющих результатов — время когерентности атомов эрбия удалось увеличить с 0,1 миллисекунды до более чем 10 миллисекунд, а в некоторых экспериментах — до 24 миллисекунд.
Для понимания масштаба: если раньше даже соединение между квантовыми компьютерами на территории одного города, например между кампусом Чикагского университета и небоскрёбом Уиллис-Тауэр, считалось невозможным, то теперь та же установка теоретически может поддерживать связь с компьютером в Солт-Лейк-Сити — на расстоянии более 2000 километров.
По словам руководителя исследования Тяня Чжуна из Инженерной школы молекулярной инженерии Притцкера, "впервые технология для построения квантового интернета мирового масштаба стала достижимой".
Главное новшество команды заключалось не в применении новых веществ, а в другом способе их производства. Вместо традиционного метода Чохральского, при котором кристаллы выращиваются в тигле при температуре выше 2000 °C, учёные использовали технику молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Этот подход позволяет выращивать материал слой за слоем, контролируя его структуру на атомном уровне.
Благодаря этому исследователи смогли создать кристаллы, легированные редкоземельными ионами, с исключительно высокой чистотой и устойчивостью. Именно в таких материалах атомы эрбия демонстрируют устойчивую квантовую когерентность и сохраняют способность к запутыванию в течение рекордно долгого времени.
В научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications, описывается реализация однократного считывания и когерентного микроволнового управления кубитами на основе эрбия. Такой подход обеспечивает не только стабильную работу квантовых элементов, но и их масштабируемость — возможность объединять десятки и сотни квантовых узлов в сеть.
Ключевые преимущества нового подхода:
использование редкоземельных кубитов с высокой стабильностью;
возможность масштабирования квантовых сетей;
совместимость с существующими телекоммуникационными технологиями;
потенциал для создания устойчивых квантовых хранилищ данных.
Исследователи подчёркивают, что успех эксперимента во многом связан с высокой кристалличностью матрицы и точным контролем расстояний между примесями. Это позволило достичь одновременно узкой оптической линии шириной на уровне килогерц и стабильности спиновых кубитов, превышающей 10 миллисекунд.
Достижения команды Чжуна открывают перспективу для создания масштабируемых квантовых сетей, объединяющих исследовательские центры, университеты и промышленные лаборатории. Фактически речь идёт о первых практических шагах к квантовому интернету — системе, в которой данные будут передаваться с абсолютной безопасностью и скоростью, недостижимой для классических сетей.
Теоретически разработанная технология уже сегодня позволяет связать Чикаго с городом Оканья в Колумбии — это почти 4000 километров. Если эти расчёты подтвердятся в дальнейшем, человечество получит возможность строить инфраструктуру нового типа, объединяющую квантовые компьютеры по всему миру.
Учёные называют этот результат поворотным моментом в развитии квантовых коммуникаций. По словам Чжуна, дальнейшее совершенствование технологии позволит "создать надёжные квантовые интерфейсы между светом и веществом, необходимые для телекоммуникационных квантовых сетей".