Учёные создали масштабируемые узлы для квантовых сетей на основе ионов кальция

Мощные узлы для квантовых сетей. Автор: Харальд Рич, Университет Инсбрука

Исследователи из Университета Инсбрука создали систему, в которой отдельные кубиты, хранящиеся в захваченных ионах кальция, запутаны с отдельными фотонами. Продемонстрировав этот метод для регистра из 10 кубитов, команда показала легко масштабируемый подход, который открывает новые возможности для соединения квантовых компьютеров и квантовых сенсоров.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Квантовые сети часто называют интернетом будущего — но вместо передачи классической информации в битах они отправляют квантовую информацию, переносимую фотонами. Эти сети могут обеспечить сверхбезопасную связь, объединять удалённые квантовые компьютеры в единую, гораздо более мощную машину и создавать системы прецизионного измерения, способные измерять время или условия окружающей среды с беспрецедентной точностью.

Для реализации такой сети необходимы так называемые узлы квантовой сети, которые могут хранить квантовую информацию и обмениваться ею посредством световых частиц. В своей последней работе команда из Инсбрука под руководством Бена Ланьона с кафедры экспериментальной физики Университета Инсбрука продемонстрировала такой узел, используя цепочку из 10 ионов кальция в прототипе квантового компьютера.

Путём тщательной регулировки электрических полей ионы по одному перемещались в оптическую полость. Там точно настроенный лазерный импульс вызывал излучение отдельного фотона, поляризация которого была запутана с состоянием иона.

Процесс создал поток фотонов, каждый из которых связан с различным ионным кубитом в регистре. В будущем фотоны смогут перемещаться к удалённым узлам и использоваться для установления запутанности между отдельными квантовыми устройствами. Исследователи достигли средней точности запутанности ион-фотон в 92%, что подчёркивает надёжность их метода.

«Одним из ключевых преимуществ этой техники является её масштабируемость», — говорит Бен Ланьон.

«В то время как предыдущие эксперименты позволяли связать только два или три ионных кубита с отдельными фотонами, установка в Инсбруке может быть расширена до гораздо больших регистров, потенциально содержащих сотни ионов и более».

Это открывает путь для соединения целых квантовых процессоров между лабораториями или даже континентами.

«Наш метод — это шаг к созданию более крупных и сложных квантовых сетей», — говорит Марко Кантери, первый автор исследования.

«Это приближает нас к практическим применениям, таким как квантово-безопасная связь, распределённые квантовые вычисления и крупномасштабное распределённое квантовое зондирование».

Помимо сетевых технологий, эта разработка также может продвинуть оптические атомные часы, которые отсчитывают время настолько точно, что потеряли бы менее секунды за возраст Вселенной.

Такие часы могут быть связаны через квантовые сети для формирования всемирной системы хранения времени непревзойдённой точности.

Работа демонстрирует не только технический прорыв, но и ключевой строительный блок для следующего поколения квантовых технологий.

Больше информации: M. Canteri et al, Photon-Interfaced Ten-Qubit Register of Trapped Ions, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/v5k1-whwz

Источник: University of Innsbruck