Создана масштабируемая платформа для квантовых сетей на основе атомов иттербия

Исследователи из Университета Иллинойса разработали масштабируемую платформу для квантовых сетей с использованием массива атомов иттербия-171. Работа, опубликованная в журнале Nature Physics, представляет собой важный шаг к созданию крупномасштабных квантовых сетей и имеет перспективные последствия для модульных квантовых вычислений.

Большинство сетей с кубитами на основе атомов работают в видимом или ближнем ультрафиолетовом диапазоне. Для обеспечения дальней связи их необходимо преобразовывать в телекоммуникационный диапазон, используемый в современных волоконно-оптических сетях. Однако этот процесс преобразования часто приводит к потерям сигнала и шумам.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи под руководством Джейкоба Кови обратились к иттербию-171 — атому, популярному у квантовых физиков благодаря своей уникальной структуре уровней. Проверив прямую запутанность между атомом иттербия и одиночным фотоном в телекоммуникационном диапазоне, учёные смогли обеспечить дальнейшую передачу сигнала без необходимости преобразования.

«Мы изначально хотели работать с зелёным фотоном основного состояния ядерного кубита, но обнаружили, что переход на 1389 нм оказался отличным решением», — пояснил Линтао Ли, ведущий автор исследования.

Впервые в этой области исследователи использовали массив нейтральных атомов иттербия-171 для генерации атомно-фотонной запутанности на телекоммуникационной длине волны. Сопоставление массива атомов с массивом оптических волокон привело к созданию сетевого протокола с потенциалом значительного масштабирования дальней квантовой связи.

«Мы продемонстрировали довольно высокую точность атомно-фотонной запутанности», — сказал Саймон Ху, соавтор работы. — «Наше исследование открывает двери для множества захватывающих приложений в квантовых сетях».

Хотя текущая модель показала высокую точность запутанности и большой потенциал для масштабирования, она ограничена относительно низкой эффективностью сбора фотонов. В будущем исследователи планируют улучшить методы сбора фотонов и интегрировать атомные системы в масштабируемые квантовые сети.

Разработка также имеет значение для квантовых часов. Следующее поколение атомных часов на основе оптических частотных стандартов потребует взаимного соединения различных атомных часов по всему миру, где масштабируемые сети являются ключевым компонентом.

Квантовые сети — это следующая ступень в развитии коммуникационных технологий, которые могут обеспечить абсолютно безопасную связь и ускорить развитие распределённых квантовых вычислений. Работа иллинойсских исследователей демонстрирует практический путь к созданию таких сетей будущего.