Учёные перепрошили квантовую реальность — теперь интернет будущего стал реальностью

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.

Как это работает

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".

Материалы и методы

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.

Потенциал квантового интернета

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.

Значение открытия

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".