Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойФизикаКвантовое будущее телекоммуникаций: беспрецедентное долголетие запутанного хранилища данных

Квантовое будущее телекоммуникаций: беспрецедентное долголетие запутанного хранилища данных

- Advertisement -

Группа профессора Сяо-Сун Ма из Нанкинского университета продемонстрировала точное хранение квантово-запутанных фотонов на телекоммуникационных длинах волн в течение рекордно длительного времени — почти 2 мкс. Ключевыми элементами этого достижения были сочетание эффективной генерации запутанных фотонов (синие сферы) со встроенным микрокольцевым резонатором (внизу справа) и длительное время хранения в ансамбле ионов 167Er3+, легированных в кристалле Y2SiO5 (куб), с использованием гребенки атомных частот ( нижний левый). Фото: Группа профессора Сяо-Сун Ма из Нанкинского университета.

Физики достигли крупного прорыва в квантовых технологиях, значительно увеличив время хранения квантов на телекоммуникационных длинах волн. Это достижение имеет решающее значение для разработки практических квантовых сетей и их интеграции в существующие оптоволоконные инфраструктуры.

Квантовые технологии в настоящее время развиваются с головокружительной скоростью. Эти технологии используют принципы квантовой механики в правильно спроектированных системах и имеют блестящие перспективы, такие как повышение эффективности вычислений или безопасности связи, намного превосходящее то, что возможно с устройствами, основанными на сегодняшних «классических» технологиях.

Однако, как и в случае с классическими устройствами, для полной реализации своего потенциала квантовые устройства необходимо будет объединить в сеть. В принципе, это можно сделать, используя оптоволоконные сети, используемые в классической телекоммуникации. Но практическая реализация требует, чтобы информация, закодированная в квантовых системах, могла надежно храниться на частотах, используемых в телекоммуникационных сетях — возможность, которая еще не была полностью продемонстрирована.

Запись в Природные коммуникацииГруппа профессора Сяо-Сун Ма из Нанкинского университета сообщает о рекордном квантовом хранении данных на телекоммуникационных длинах волн на платформе, которую можно развертывать в расширенных сетях, что открывает путь для практических крупномасштабных квантовых сетей.

Оптические волокна и квантовые проблемы

Физическая ткань Интернета соткана из оптических волокон. Стеклянные волокна, из которых состоят эти обширные сети, известны своей чистотой. Типичный пример: через окно толщиной в километр, сделанное из такого стекла, можно было хорошо видеть. Тем не менее, некоторые потери неизбежны, и оптические сигналы, передаваемые по телекоммуникационным сетям, необходимо «обновлять» через регулярные промежутки времени, когда расстояния превышают несколько сотен километров. Для классических сигналов существуют хорошо зарекомендовавшие себя и широко используемые методы, основанные на многократном усилении сигналов. Однако для квантовых состояний света эти обычно используемые подходы, к сожалению, непригодны.

Почему «квантовый свет» отличается от него? Ключевым ингредиентом, который делает квантовые технологии такими мощными, является квантовая запутанность, состояние, в котором два или более квантов света (или фотонов) имеют между собой более сильные корреляции, чем это возможно для классического света. При обычной регенерации оптического сигнала оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал, который усиливается перед преобразованием обратно в световые импульсы. Однако в таком процессе запутанные фотоны потеряют свои важнейшие квантовые корреляции. Та же проблема возникает и с другими традиционными методами.

Решением является использование так называемых квантовых повторителей. Короче говоря, квантовые повторители сохраняют хрупкое запутанное состояние и преобразуют его в другое квантовое состояние, которое разделяет запутанность со следующим узлом в цепочке. Другими словами, вместо усиления сигнала узлы «сшиваются вместе», используя свои уникальные квантовые свойства. В основе таких сетей квантовых повторителей лежит квантовая память, в которой могут храниться квантовые состояния света. Реализация этих воспоминаний с достаточно длительным временем хранения является непростой задачей, особенно для фотонов на телекоммуникационных длинах волн (то есть около 1,5 мкм).

Прорыв в квантовом хранилище

Отсюда и волнение, поскольку Мин-Хао Цзян, Вэньи Сюэ и коллеги из группы Сяо-Сун Ма теперь сообщают о хранении и извлечении запутанного состояния двух телекоммуникационных фотонов со временем хранения, близким к двум микросекундам. Это почти в 400 раз дольше, чем было продемонстрировано ранее в этой области, и поэтому является решающим шагом на пути к практическим устройствам.

Воспоминания, развитые Цзяном, Сюэ и другие. на основе ортосиликата иттрия (Y2SiO5) кристаллы, легированные ионами редкоземельного элемента эрбия. Эти ионы обладают оптическими свойствами, которые практически идеальны для использования в существующих оптоволоконных сетях и соответствуют длине волны около 1,5 мкм. Пригодность ионов эрбия для квантового хранения известна уже несколько лет, а тот факт, что они внедрены в кристалл, делает их особенно привлекательными с точки зрения крупномасштабного применения. Однако практическая реализация квантовой памяти на основе ионов эрбия до сих пор оказалась относительно неэффективной, что препятствует дальнейшему прогрессу в создании квантовых повторителей.

Группа Ма сейчас добилась значительных успехов в совершенствовании этих техник и показала, что даже после хранения фотон в течение 1936 наносекунд запутывание пары фотонов сохраняется. Это означает, что в течение этого времени квантовым состоянием можно манипулировать, как это требуется в квантовом повторителе. Кроме того, исследователи объединили свою квантовую память с новым источником запутанных фотонов на интегрированном чипе.

Эта продемонстрированная способность одновременно генерировать запутанные фотоны высокого качества на телекоммуникационных частотах и ​​сохранять запутанное состояние, и все это на твердотельной платформе, подходящей для недорогого массового производства, является захватывающей, поскольку она создает многообещающий строительный блок, который может быть объединен с существующими крупномасштабные оптоволоконные сети, тем самым обеспечивая будущий квантовый Интернет.

Ссылка: «Квантовое хранение запутанных фотонов на телекоммуникационных длинах волн в кристалле» Мин-Хао Цзян, Вэньи Сюэ, Цянь Хэ, Юй-Ян Ань, Сяодун Чжэн, Вэнь-Цзе Сюй, Ю-Бо Се, Яньцин Лу, Шайнинг Чжу и Сяо-Сун Ма, 1 ноября 2023 г., Природные коммуникации.
DOI: 10.1038/s41467-023-42741-1

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме