Ученые создали фотонный маршрутизатор для квантового интернета

Схема поляризационно-сохраняющего фотонного маршрутизатора. Автор: Advanced Quantum Technologies (2025). DOI: 10.1002/qute.202500355

Представьте преимущества, если бы весь интернет получил революционное обновление скорости и безопасности. Таково обещание квантового интернета — передовой системы, использующей отдельные фотоны для работы. Исследователи из Университета Тохоку разработали новый фотонный маршрутизатор, который может направлять одиночные и квантово-запутанные фотоны с беспрецедентной эффективностью. Этот прорыв в квантовой оптике приближает нас к тому, что квантовые сети и фотонические квантовые технологии следующего поколения станут повседневной реальностью.

Результаты работы были опубликованы в журнале Advanced Quantum Technologies 2 сентября 2025 года.

Фотоны являются основой многих перспективных квантовых приложений — от защищенной связи до мощных квантовых компьютеров. Чтобы сделать эти технологии практичными, фотоны необходимо маршрутизировать быстро и надежно, не нарушая хрупкие квантовые состояния, которые они несут.

Поляризация, то есть ориентация электрического поля фотона, является одним из самых распространенных способов кодирования квантовой информации. Однако до сих пор не существовало устройства, способного маршрутизировать фотоны произвольной поляризации на телекоммуникационных длинах волн одновременно с малыми потерями и высокой точностью.

Исследовательская группа под руководством профессора Фумихиро Канеды из Высшей школы науки Университета Тохоку преодолела эту проблему, разработав новый электрооптический маршрутизатор. Его особенность — компактный интерферометр специальной конструкции, в котором оптические пути образуют параллелограмм вместо обычного прямоугольника. Такая конструкция позволяет всем оптическим компонентам работать с сохранением поляризации при почти нормальном угле падения.

«Это не должно быть похоже на игру в испорченный телефон, где информация теряется по пути, — объясняет Канеда. — По сути, наша конструкция обеспечивает, чтобы принимаемый сигнал был как можно ближе к отправленному — поляризация фотонов сохранялась с точностью более 99%».

Эти усовершенствования позволили создать маршрутизатор с минимальным количеством оптических компонентов, что значительно снизило оптические потери и обеспечило стабильную работу высокого качества.

«Он передает фотоны с потерями всего 0,06 дБ, что составляет около 1,3%, — поясняет Канеда. — Он не только эффективно работает на наносекундных скоростях, но уже совместим с телекоммуникационными сетями, которые мы используем сегодня для интернета. Результаты этого исследования закладывают ценную основу для разработки практических технологий квантовых сетей».

Впервые в мире команда также успешно провела маршрутизацию двухфотонных запутанных состояний — ключевого ресурса для квантовых сенсоров и сетей — сохранив интерференционную видимость на уровне около 97%. Это показывает, что маршрутизатор может работать не только с отдельными квантовыми битами, но и со сложной многофотонной запутанностью, что является ключевым требованием для масштабирования квантовых технологий.

По сравнению с предыдущими подходами, которые часто страдали от высоких потерь, шумов или искажений, новое устройство сочетает в себе все критические характеристики, необходимые для практического использования: низкие потери, высокую скорость, бесшумную работу и совместимость с существующими телекоммуникационными волоконно-оптическими сетями.

Больше информации: Pengfei Wang et al, Low‐Loss Polarization‐Maintaining Router for Single and Entangled Photons at a Telecom Wavelength, Advanced Quantum Technologies (2025). DOI: 10.1002/qute.202500355