автор: Ингрид Фаделли, Phys.org
Фото: Михаэль Ренгер из Института Вальтера Мейсснера.
Все больше квантовых инженеров по всему миру пытаются создать крупномасштабные квантовые сети, состоящие из нескольких связанных между собой квантовых компьютеров или устройств, которые обмениваются информацией. Успешная реализация этих сетей потенциально может открыть путь к созданию новых высокоскоростных и защищенных систем связи или даже квантовой версии интернета. Ключевая проблема при создании крупномасштабных квантовых сетей заключается в обеспечении надежной передачи квантовых свойств микроволновых сигналов из одного места в другое. Эти сигналы очень чувствительны к случайным энергетическим флуктуациям, связанным с тепловым излучением. Поэтому представленные на сегодняшний день системы обычно работают в охлаждающих установках, называемых рефрижераторными установками с разбавлением пара.
Исследователи из Института Вальтера Мейсснера (Walther-Meißner-Institut. WMI) и Мюнхенского технического университета представили новый подход к успешной передаче квантовых микроволновых состояний между двумя отдельными рефрижераторными установками, соединенными более теплым сверхпроводящим кабелем, с температурой до 4 К. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, была частью проекта Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS), финансируемого в рамках инициативы Европейского союза (ЕС) Quantum Flagship и поддерживаемого правительством Баварии в рамках программы Hightech Agenda Bayern Plus. «Наша статья основана на оригинальной идее продемонстрировать, что микроволновая связь может работать в квантовом режиме и на макроскопических расстояниях, преодолевая ограничения чипов размером с миллиметр», — рассказал Phys.org Кирилл Г. Федоров — руководитель группы в Институте физики высоких технологий.
«Эта идея основана на фундаментальных концепциях распределения запутанности, разработанных в области квантовой оптики, и обусловлена недавними достижениями в области квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих схем, работающих на микроволновых частотах». Сборка криолинка и его центральный холодный узел. Фото: Михаэль Ренгер из Института Вальтера-Мейснера.
Распространение микроволновых запутанных состояний через относительно горячие сверхпроводники
Основная цель этого исследования заключалась в успешной реализации криогенной связи между отдельными охлаждающими устройствами с помощью сверхпроводящих кабелей. Кроме того, исследователи хотели создать квантовую версию микроволновых локальных сетей (Q-LAN).
Наша главная экспериментальная задача заключалась в создании криогенной связи между отдельными криостатами и сверхпроводящими квантовыми модулями, которая позволила бы осуществлять проводную передачу сигнала на микроволновых несущих частотах на макроскопические расстояния и послужила бы основой для микроволновой квантовой локальной сети.
«Мы продемонстрировали, что запутанность микроволновых сигналов может распространяться без потери квантовых свойств по относительно горячим микроволновым каналам (сверхпроводящим коаксиальным кабелям) при температуре до 4 кельвинов», — сказал Вун Ква Ям, аспирант Массачусетского технологического института и первый автор статьи.
«Квантовая запутанность обычно очень чувствительна к шуму, например к тепловому шуму от окружающей среды с высокой температурой. Можно было бы предположить, что квантовая запутанность на частотах около 5 ГГц исчезнет при прохождении через тепловой канал с температурой 4 кельвина, что соответствует десяткам тепловых фотонов. Однако ситуация меняется, когда такой канал является сверхпроводящим и имеет чрезвычайно низкие потери — порядка 10-3 дБ/м». Команда исследователей обнаружила, что ниобий-титановые сверхпроводящие кабели хорошо подходят для передачи квантовых микроволновых состояний даже при повышенных криогенных температурах. Это связано с тем, что, даже если в кабелях много случайных тепловых флуктуаций (фотонов), они влияют на распространяющийся микроволновый сигнал только через потери в канале (например, когда часть сигнала поглощается или рассеивается). Таким образом, исследователи смогли сохранить квантовую запутанность в сети, используя высококачественные сверхпроводящие кабели, которые предотвращали или ограничивали потери при распространении микроволнового излучения. «В физике это называется теоремой о флуктуационно-диссипативной связи, и мы продемонстрировали ее практическое значение для квантовых сетей», — пояснил К. Г. Федоров.
«Для этих экспериментов мы создали и использовали уникальную прототипную систему, состоящую из трех криостатов: двух разбавляющих криостатов с квантовыми узлами, достигающими температуры около 20–50 мК, и промежуточного холодного узла с соответствующей самой низкой температурой около 3 К. Криостаты были соединены многослойным криоканалом с несколькими сверхпроводящими коаксиальными кабелями».
Успешная телепортация когерентных микроволновых состояний
В разработанной ими квантовой системе исследователи смогли продемонстрировать протокол связи, известный как квантовая телепортация. Этот протокол позволяет передавать когерентные микроволновые состояния от одного устройства к другому без прямой передачи по кабелям.
«Для этого протокола требуется ресурс квантовой запутанности и схема локальных измерений с классической прямой связью», — сказал В. К. Ям. «Мы успешно продемонстрировали телепортацию, измерив так называемую меру точности, которая количественно определяет степень соответствия телепортированного состояния исходному. Единичная мера точности означает, что телепортация была идеальной, что невозможно в экспериментальных условиях из-за повсеместных погрешностей». «Тем не менее достижение значений точности выше определенного предела (классического порога) уже свидетельствует о том, что квантовая телепортация справляется с задачей передачи неизвестных квантовых состояний лучше, чем любой классический метод связи».
Классический порог точности при телепортации неизвестных когерентных микроволновых состояний составляет 50%. Однако с помощью квантового протокола В. К. Ям и его коллеги смогли телепортировать состояния между удаленными криостатами с точностью 72,3% при температуре 1 К и 59,9% при температуре 4 К.
Фото: Михаэль Ренгер из Института Вальтера Майсснера.
Создание масштабируемых сетей квантовых вычислений
Первоначальные результаты, полученные этой исследовательской группой, весьма многообещающие и демонстрируют потенциал предложенной ими инженерной стратегии для реализации систем квантовой связи. Кроме того, команда показала, что квантовые протоколы могут передавать микроволновые сигналы между подключенными устройствами эффективнее, чем их классические аналоги. «Мы добились распределения квантовой запутанности на микроволновых частотах по горячим каналам с температурой 4 кельвина и использовали эти квантовые корреляции (которые сильнее любых классических!) для квантовой телепортации микроволновых когерентных состояний», — рассказал К. Г. Фёдоров.
«Возможные последствия этих результатов весьма разнообразны. Одно из них — это, безусловно, возможность соединить отдельные удаленные сверхпроводящие квантовые узлы в большую распределенную сеть, которую можно использовать для решения различных задач в области масштабируемых (распределенных) квантовых вычислений или квантового зондирования».
В будущем результаты, полученные группой К. Г. Фёдорова, могут открыть новые возможности для создания квантовых сетей, распределённых квантовых систем и даже систем квантовой связи, работающих при более высоких температурах. В то же время их система может быть использована для демонстрации протоколов микроволнового квантового распределения ключей — криптографических методов, которые могут обеспечить более безопасную связь.
«В наших планах на будущее — возможный переход от жестких микроволновых линий с температурой в милликельвинах к гибким микроволновым линиям, охлаждаемым жидким гелием, чтобы продемонстрировать распределение квантовой запутанности в гораздо более практичных сетях», — добавил К. Г. Федоров.
«Основная задача здесь — разработать криогенные технологические решения, совместимые с современными криостатами с разбавлением, но при этом обеспечивающие достаточно высокую точность передачи квантовых состояний, чтобы соответствовать строгим требованиям современных протоколов квантовых вычислений». «В конечном счете наша цель — внедрить квантовую микроволновую связь при комнатной температуре и в открытых каналах, чтобы обеспечить микроволновое распределение ключей в диапазонах частот, совместимых со стандартами 5G / 6G». Эта статья, написанная для вас нашим автором Ингрид Фаделли, отредактированная Сэди Харли, проверенная на достоверность Робертом Иганом и прошедшая рецензирование, — результат кропотливой работы. Мы полагаемся на таких читателей, как вы, чтобы поддерживать независимую научную журналистику. Если эта статья была вам полезна, пожалуйста, подумайте о пожертвовании (особенно если вы делаете ежемесячные пожертвования). В качестве благодарности вы получите аккаунт без рекламы.
Сведения о публикации
В. К. Ям и др., «Квантовая телепортация через тепловую микроволновую сеть», Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/n8j9-63mz.
Информация о журнале: Physical Review Letters
«Для этих экспериментов мы создали и использовали уникальную прототипную систему, состоящую из трех криостатов: двух разбавляющих криостатов с квантовыми узлами, достигающими температуры около 20–50 мК, и промежуточного холодного узла с соответствующей самой низкой температурой около 3 К. Криостаты были соединены многослойным криоканалом с несколькими сверхпроводящими коаксиальными кабелями».