Сделали важный шаг к полностью безопасной квантовой сети современной связи, но поиски защищенной информационной сети продолжаются. Исследователям из Института Нильса Бора, Университет Копенгагена, недавно удалось увеличить время хранения квантовой информации, используя небольшой стеклянный контейнер, заполненный атомами комнатной температуры, и сделать важный шаг к безопасной распределенной сети с квантовым кодированием.

На фото; Исследователи Михаэль Цугенмайер и Карстен Дидериксен рядом со своими экспериментальными установками. Фото: Институт Нильса Бора

Отправка информации в оптические волокна на большие расстояния в классическом режиме

Отправка информации на большие расстояния может быть выполнена путем кодирования сообщений в световые импульсы и отправки их через оптические волокна. Но есть потери в волокнах, поэтому усиление необходимо по пути. Повторители усиливают световые импульсы через определенные промежутки времени вдоль линии, и вуаля! — возможно трансатлантическое общение. Но есть проблема: это не совсем безопасно. Информация может быть получена, и даже если она закодирована, коды могут быть взломаны.

Распространение информации в квантовом режиме

То, что происходит при отправке квантовой информации, немного отличается. Сама информация на самом деле не передается, а телепортируется через запутанную сеть. У отправителя есть одна половина запутанности, а у получателя — другая половина.

Запутывание намного легче создать на коротких расстояниях, поэтому линия между отправителем и получателем сегментируется и создается запутывание между каждым началом и концом сегментов. Если каждый сегмент способен хранить запутывание, линейный оператор может подождать, пока запутанность не будет создана во всех сегментах, а затем выполнить перестановку перепутывания в соединениях, чтобы расширить запутывание на полное расстояние между отправителем и получателем. Таким образом, хранение имеет решающее значение — и именно поэтому улучшение времени хранения, проводимое сейчас исследователями, так важно. Только тогда, когда запутанность на всей длине линии, фактическое общение может иметь место. Попутно, это абсолютно недоступно для кого-либо еще, поскольку тонкая квантовая информация саморазрушается немедленно, если вы пытаетесь подслушать или манипулировать ею каким-либо образом.

при распределении запутанности

Иллюстрация: при распределении запутанности между отправителем A и получателем B линия связи сегментируется путем введения квантовых повторителей. На этой иллюстрации A запутан с Квантовым Ретранслятором I, а B запутан с Квантовым Приемником II. После замены запутывания на квантовых повторителях запутанность распределяется между А и В. Квантовые повторители больше не удерживают запутывание и не могут использоваться для перехвата сообщений. Фото: Институт Нильса Бора.

Нам нужно много квантовых повторителей

Время хранения входит в картину, поскольку на самом деле требуется некоторое время для перемещения информации по волокнам. Тонкая квантовая запутанность должна храниться в ожидании своей очереди, чтобы пройти через оптическое волокно. Из-за масштаба таких сетей очень разумно стремиться к системе, работающей при комнатной температуре. Если квантовые повторители должны быть развернуты для приложения. На каждые 10 км линии связи преимущества простой настройки, работающей при комнатной температуре, огромны.

Исследователям из Института Нильса Бора удалось увеличить этот критический срок жизни квантового состояния при комнатной температуре примерно до четверти миллисекунды, и в этот период времени свет может распространяться в волокне примерно на 50 км. «Итак, 50 км — это еще не очень далеко, если вы хотите отправить региональную квантовую информацию, но это намного дольше, чем то, что было ранее достигнуто с атомами при комнатной температуре», — говорит доктор философии Карстен Дидериксен. студент на проекте.

Актуальные технологии

Сама техника состоит из небольшого стеклянного контейнера, заполненного атомами цезия, в который исследователи могут загружать, хранить и извлекать отдельные фотоны (частицы света) из квантовых состояний, необходимых для ретранслятора. Этот метод увеличивает продолжительность жизни квантовых состояний при комнатной температуре в сто раз. Простота является ключевым моментом, поскольку нужно представить себе, что эта технология, когда-то разработанная с полным потенциалом, распространилась по всему миру в качестве квантовых ретрансляторов в наших информационных сетях.

Как уже упоминалось, ближайшая перспектива — это хранилище для использования в защищенных квантовых информационных сетях, но есть и другие варианты, такие как генерация одиночных фотонов по требованию для квантовых вычислений.

По материалам phys.org