Одна из главных проблем на пути к созданию квантового интернета — хрупкость квантовых состояний. Обычно СВЧ-сигналы, используемые в сверхпроводящих квантовых процессорах, требуют экстремального охлаждения до температур около 0,01 кельвина (милликельвинов). Любое потепление вносит тепловые фотоны, которые разрушают квантовую запутанность. Однако исследователи из Института Вальтера Мейснера (WMI) и Мюнхенского технического университета в Германии нашли способ обойти это ограничение.
В статье, опубликованной в научном журнале Physical Review Letters, ученые под руководством Кирилла Федорова демонстрируют передачу квантовых СВЧ-состояний между двумя отдельными криостатами (холодильниками), соединенными сверхпроводящим кабелем, температура которого достигает 4 кельвинов. Это всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, но по меркам квантовых технологий — «горячая» среда, содержащая десятки тепловых фотонов на частоту около 5 ГГц.
Квантовая запутанность обычно очень хрупка по отношению к шуму. Наивно было бы ожидать, что она исчезнет при прохождении через тепловой канал с температурой 4 К. Однако ситуация меняется, когда такой канал является сверхпроводящим и имеет чрезвычайно низкие потери — порядка дБ/м.
Ключевую роль сыграл выбор материала. Кабель из ниобий-титана (NbTi) остается сверхпроводящим даже при 4 К. Благодаря этому тепловые фотоны не взаимодействуют с сигналом напрямую. Как объясняет Кирилл Федоров, работает принцип флуктуационно-диссипативной теоремы: тепловой шум примешивается к сигналу только через потери в канале (например, при поглощении или рассеянии). Если потери сведены к минимуму (1 дБ/м — это очень мало для таких частот), то и шум не разрушает квантовое состояние.
Экспериментальная установка, созданная учеными состоит из трех криостатов: двух «холодных» (с температурой 20−50 мК), в которых находятся квантовые узлы, и одного промежуточного «теплого» (около 3 К). Все они соединены многослойной криогенной линией с несколькими сверхпроводящими коаксиальными кабелями внутри.
Используя эту систему, команда успешно реализовала протокол квантовой телепортации. Речь идет не о телепортации атомов или фотонов в привычном смысле, а о передаче квантового состояния (когерентного СВЧ-сигнала) с одного устройства на другое без его физической отправки через кабель.
Классический предел точности для передачи неизвестных когерентных состояний составляет 50%. То есть, если точность выше 50%, это уже доказывает, что используется именно квантовый (запутанный) канал. Немецким физикам удалось достичь впечатляющих результатов: 72,3% точности при передаче через канал с температурой 1 К и 59,9% при температуре 4 К. Это означает, что квантовая информация была успешно телепортирована через среду, которую ранее считали непригодной для сохранения запутанности.
Практическое значение этого открытия огромно. До сих пор попытки соединить несколько квантовых процессоров в сеть наталкивались на то, что каждый процессор требует своего запредельно холодного «домика» — криостата. Соединять их обычными проводами было невозможно, так как нагрев уничтожал квантовые свойства.
Новый подход позволяет связывать отдельные сверхпроводящие квантовые узлы в распределенную сеть (Q-LAN — квантовая локальная сеть). Это прямой путь к масштабированию квантовых вычислений: вместо того чтобы пытаться уместить миллионы кубитов на одном чипе, можно будет соединять множество небольших, но надежных модулей через «теплые» сверхпроводящие линии связи.
В перспективе исследователи планируют перейти от жестких милликельвиновых линий к гибким микроволновым линиям, охлаждаемым жидким гелием. Конечная мечта, как заявляет Кирилл Федоров, — вывести квантовую микроволновую связь на комнатные температуры и использовать открытые каналы в диапазонах 5G/6G. Это позволило бы создавать квантовые сети, не уступающие по удобству современному интернету, но принципиально защищенные от взлома благодаря законам квантовой физики.
Ранее Наука Mail рассказывала, как ученым впервые удалось телепортировать квантовые данные по обычному интернет-кабелю.
