Призрачный мир квантовой механики обещает нам в будущем быстрый и безопасный Интернет, потрясающие вычислительные мощности квантовых компьютеров и многое другое. И теперь, исследователи из университета Инсбрука и Института квантовой оптики и информатики австрийской Академии Наук сделали еще один шаг навстречу квантовому будущему, установив новый рекорд, имеющий отношение к дальности сохранения квантовой запутанности между частицами света и материи. Исследователям удалось послать фотон света, запутанный с ионом, по оптоволокну на расстояние 50 километров, сохранив при этом, их хрупкую квантовую запутанность.

Квантовая запутанность представляет собой невидимую связь, формирующуюся между двумя частицами при определенных условиях. И эта связь может сохраняться, невзирая на разделяющее частицы расстояние, которое, в теории, может быть бесконечно большим. И, как мы уже неоднократно упоминали на страницах нашего сайта, если изменить квантовое состояние одной из запутанных частиц, квантовое состояние второй частицы также моментально изменится соответствующим образом.

По-существу явление квантовой запутанности позволяет реализовать телепортацию информации, что, в свою очередь, можно использовать в области передачи данных и коммуникаций, которые станут основой квантового Интернета будущего. При этом, если будут произведены попытки перехвата данных, это, согласно законам квантовой механики, приведет к искажению или полной потере передаваемых данных.

В эксперименте ученые использовали ион кальция, пойманный в специальную ионную ловушку. При помощи света лазера было установлено необходимое квантовое состояние иона, помимо этого, свет лазера накачал ион энергией так, что он через короткое время сбросил излишки энергии путем излучения фотона света, который был запутан с ним на квантовом уровне, и который имел такое же квантовое состояние, как и ион.

Ион кальция был выбран для проведения эксперимента не случайно, он излучает фотоны света с длиной волны 854 нанометра, которые достаточно легко, при помощи кристалла с нелинейными оптическими свойствами, преобразовываются в фотоны с длиной волны 1 550 нанометра. Эти более длинноволновые фотоны почти беспрепятственно распространяются по стандартному оптоволокну, ведь их частота полностью совпадает со стандартной частотой, используемой в современных оптических коммуникациях.

И после преобразования длинноволновый фотон света, не потерявший состояния квантовой запутанности с ионом кальция, был направлен в оптическое волокно, на выходе которого находилось устройство, проверяющее наличие квантовой запутанности у фотона, прошедшего достаточно длинный путь. Во время экспериментов ученые наращивали длину оптического волокна и максимальная его длина, при которой состояние квантовой запутанности еще сохранялось, составила 50 километров.

50-километровое расстояние стало новым рекордом по дальности сохранения квантовой запутанности между частицами света и материи. Отметим, что запутанные пары фотонов сохраняют запутанность на гораздо больших расстояниях, до 1 200 км, как показали эксперименты с китайским искусственным спутником Micius. Но запутанность между частицами материи и света имеет большую практическую ценность, ведь частицами материи гораздо легче управлять и при их помощи будет проще создавать устройства квантового Интернета будущего.

Используя такой же самый подход дистанцию квантовой запутанности легко удвоить, разместив ионы кальция на концах оптоволоконной линии, длиной 100 километров. Излученные ими фотоны будут встречаться ровно посередине, запутываясь друг с другом, но теряя квантовую связь со своими ионами. Если эта технология найдет практическое применение, то квантовый Интернет будет состоять из соединенных друг с другом 100-километровых участков оптического волокна.