Создан рабочий способ соединять квантовые компьютеры в одну сеть
Группа исследователей из Института Вальтера-Майснера (WMI) и Мюнхенского технического университета (Германия) добилась важного прорыва в создании будущих квантовых сетей.
Ученые впервые смогли передать квантовые сигналы при температуре, которую для таких экспериментов можно считать относительно теплой. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Почему это важно
Во всем мире инженеры пытаются построить крупномасштабные квантовые сети — системы, в которых квантовые компьютеры и устройства смогут обмениваться информацией на расстоянии. В перспективе такие сети могут стать основой квантового интернета — сверхбыстрой и практически невзламываемой системы связи. Главная сложность заключается в том, что квантовые микроволновые сигналы крайне чувствительны к теплу и быстро теряют свои уникальные свойства.
До сих пор такие эксперименты проводились только внутри мощных криогенных холодильников при температурах, близких к абсолютному нулю. Новый подход немецких ученых позволяет существенно ослабить эти жесткие требования.
Новый подход к передаче
Исследователи соединили два криостата (охлаждающие устройства) специальным сверхпроводящим кабелем. Этот кабель способен передавать сигнал почти без потерь даже при очень низких температурах. Благодаря этому они смогли сохранить квантовые свойства сигналов при −269 °C. Раньше для таких опытов требовался гораздо более сильный холод.
«Мы продемонстрировали, что запутанные микроволновые сигналы могут распространяться без потери своих квантовых свойств через относительно горячие микроволновые каналы при температурах до 4 Кельвинов», — рассказал один из первых авторов работы Вун К. Ям.
Как работает решение
Ученые использовали высококачественные сверхпроводящие кабели из ниобия и титана. Даже несмотря на присутствие тепловых шумов (тепловых фотонов), низкие потери в кабеле позволили сохранить квантовую запутанность — особое состояние, при котором две частицы остаются связанными, даже находясь на расстоянии друг от друга.
Команда также успешно провела квантовую телепортацию — процесс, при котором квантовое состояние передается от одного устройства к другому без физической пересылки самого сигнала. Точность телепортации составила 72,3% при температуре 1 Кельвин (-272,15 °C) и 59,9% при 4 Кельвинах (-269,15 °C). Для сравнения: классический предел для такой задачи равен 50%.
«Нам удалось добиться распределения квантовой запутанности на микроволновых частотах в горячих каналах с температурой 4 Кельвина и использовать эти квантовые корреляции для квантовой телепортации», — отметил руководитель группы Кирилл Г. Федоров.
Перспективы для квантовых сетей
Результаты показывают, что квантовые протоколы могут работать эффективнее классических даже в относительно «теплых» условиях. Это открывает дорогу к созданию масштабируемых квантовых сетей, где отдельные квантовые процессоры можно будет объединять в единую распределенную систему.
В будущем такая технология может быть использована не только для квантовых вычислений, но и для квантовой криптографии — методов, которые обеспечивают принципиально более высокий уровень защиты информации.
Планы на будущее
Исследователи планируют продолжить работу и перейти к более гибким кабелям, охлаждаемым жидким гелием. В долгосрочной перспективе они надеются приблизиться к работе при еще более высоких температурах и даже к передаче квантовых сигналов в условиях, приближенных к комнатным.
«Главная задача — разработка криогенных технологических решений, совместимых с современными криостатами и обеспечивающих высокую точность переноса квантовых состояний», — подчеркнул Федоров.