Учёные создали масштабируемый квантовый узел, связывающий свет и материю

Ион-кубит перемещается в оптический резонатор, где зеркала эффективно собирают фотоны, излучаемые ионом-кубитом. Каждый фотон оказывается запутанным со своим ионом-кубитом, образуя глубокую квантовую связь. Автор: Universität Innsbruck/Harald Ritsch

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

Чтобы сделать такую сеть возможной, необходимы так называемые квантовые сетевые узлы, которые могут хранить квантовую информацию и обмениваться ею с помощью частиц света. В своей последней работе команда из Инсбрука под руководством Бена Ланьона с кафедры экспериментальной физики Университета Инсбрука продемонстрировала такой узел, используя цепочку из десяти ионов кальция в прототипе квантового компьютера. Путем тщательной регулировки электрических полей ионы перемещались по одному в оптический резонатор. Там точно настроенный лазерный импульс вызывал испускание одного фотона, поляризация которого была запутана с состоянием иона.

Процесс создал поток фотонов; каждый из них был связан с разным ионом-кубитом в регистре. В будущем фотоны могут перемещаться к удалённым узлам и использоваться для установления запутанности между отдельными квантовыми устройствами. Исследователи достигли средней точности запутанности ион-фотон в 92 процента, что подчёркивает надёжность их метода.

«Одним из ключевых преимуществ этой техники является её масштабируемость», — говорит Бен Ланьон. «В то время как более ранние эксперименты позволяли связать только два или три иона-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 приложениям, таким как квантово-безопасная связь, распределённые квантовые вычисления и крупномасштабное распределённое квантовое зондирование».

Помимо сетей, эта технология также может усовершенствовать оптические атомные часы, которые отсчитывают время настолько точно, что они потеряли бы меньше секунды за время существования Вселенной. Такие часы могут быть связаны через квантовые сети для формирования всемирной системы хронометража непревзойдённой точности.

Работа, опубликованная в Physical Review Letters, была финансово поддержана Австрийским научным фондом FWF и Европейским союзом, среди прочих, и демонстрирует не только технический прорыв, но и ключевой строительный блок для следующего поколения квантовых технологий.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Инсбрука.

M. Canteri, Z. X. Koong, J. Bate, A. Winkler, V. Krutyanskiy, B. P. Lanyon. Photon-Interfaced Ten-Qubit Register of Trapped Ions. Physical Review Letters, 2025; 135 (8) DOI: 10.1103/v5k1-whwz