Ученые из США передали квантовые состояния света по открытому воздуху на расстояние 21 км. Вместо оптоволокна фотоны прошли через атмосферу. Следующая цель исследователей — связать с помощью такой технологии наземные станции со спутниками.
Одна из главных сложностей квантовых сетей — оптоволокно. Оно прекрасно передает обычный интернет-трафик, но для хрупких квантовых состояний оказывается капризным: сигнал затухает, а квантовые технологии часто требуют других частот, чем те, что используются в телекоммуникационных кабелях.
Это первая подобная демонстрация в США, и она дополнила самую протяженную квантовую сеть страны — 161 милю и восемь узлов — беспроводным компонентом.
Команда проекта Quantum Watchtower использовала лазер для создания квантовых состояний из нескольких фотонов. Лаборатория на крыше медицинского центра в Стоуни-Брук направила фотоны из оптоволокна толщиной 5 микрон — тоньше человеческого волоса в десять раз — через атмосферу. На другом конце, в Брукхейвене, сверхбыстрая камера зафиксировала их в момент входа в такое же крошечное волокно.
Радиочастоты для этой задачи не годились — слишком много шумов. Свету в атмосфере мешает турбулентность — она может исказить траекторию луча и разрушить квантовую информацию. Исследователи применили технологии из астрономии: телескопы и адаптивную оптику, чтобы компенсировать помехи и точно направить лучи. Пришлось строить специальные объекты на крышах и интегрировать сложное оборудование так, чтобы две точки на расстоянии 21 километра работали как единая установка.
После успешного дневного эксперимента физики провели ночной тест — уже с запутанными фотонами. Их сначала отправили по оптоволокну из Стоуни-Брук в Квантовую сторожевую башню, а затем выпустили в открытое пространство. На приемной стороне в Квантовом маяке фотоны успешно измерили. Запутанные частицы сохраняют связь на больших расстояниях, что делает их основой для безопасной связи, квантовых датчиков и объединения квантовых компьютеров.
Новый беспроводной канал не заменяет оптоволокно, а дополняет его. Он позволяет дотянуться туда, куда сложно проложить кабель, и использовать длины волн, недоступные в коммерческих сетях, — например, те, на которых работают квантовые процессоры.
В перспективе исследователи планируют передавать квантовую информацию на спутники. Это позволит связать удаленные районы без наземной инфраструктуры и сделать квантовые сети глобальными. Подобные опыты с передачей фотонов с самолетов уже проводились, и спутниковый этап — логичное продолжение.
Читайте также:
Квантовый эксперимент подтвердил теорию Изинга спустя 100 лет
В Арктике испытали радиовещание из стратосферы для будущего спутникового покрытия России
Квантовая гравитация может заменить темную энергию в объяснении ускорения Вселенной