Квантовые компьютеры будущего должны не только выполнять вычисления, но и обмениваться квантовой информацией на больших расстояниях. Однако здесь возникает неожиданная проблема: устройства, способные хранить квантовые состояния, нередко излучают свет, который плохо распространяется по обычным оптическим волокнам. Исследователи из Китая разработали миниатюрный преобразователь, позволяющий менять длину волны отдельных фотонов, сохраняя возможность передачи закодированной в них квантовой информации. Эксперимент стал важным шагом к соединению различных квантовых устройств в единую сеть.
В обычном интернете данные передаются в виде электрических или оптических сигналов, представляющих последовательности нулей и единиц. Квантовая сеть использует дополнительные возможности квантовой механики, включая суперпозицию и запутанность. Запутанными называют состояния нескольких квантовых систем, между результатами измерений которых существуют особые корреляции, не сводимые к независимым состояниям каждой части. Такие связи могут использоваться для распределения квантовых ключей и передачи квантовых состояний между удалёнными узлами.
Одними из перспективных элементов таких сетей считаются захваченные ионы. Это электрически заряженные атомы, удерживаемые электромагнитными полями в вакуумных ловушках. Их внутренние энергетические состояния позволяют хранить квантовую информацию, а лазерные импульсы обеспечивают высокоточное управление. Некоторые ионные системы способны долго сохранять когерентность — согласованность квантовых состояний, необходимую для вычислений и передачи информации.
Но для соединения удалённых ионных ловушек необходимо преобразовать их квантовые состояния в состояния фотонов. Например, ионы кальция могут излучать фотоны с длиной волны около 393 нанометров, находящейся вблизи ультрафиолетовой области спектра. Для передачи по стандартному телекоммуникационному оптоволокну такой свет неудобен. На коротких длинах волн потери значительно выше, поэтому вероятность доставки одиночного фотона быстро уменьшается с расстоянием.
Современные волоконно-оптические линии особенно эффективно передают излучение вблизи 1550 нанометров. Именно этот диапазон широко применяется в телекоммуникациях благодаря сравнительно низкому затуханию в кварцевом волокне. Следовательно, возникает задача преобразовать ультрафиолетовый фотон в инфракрасный, не уничтожив его квантовые свойства. Простое поглощение света с последующим обычным излучением нового фотона для такой задачи не подходит.
Решение основано на квантовом преобразовании частоты. В специальном нелинейном оптическом материале световые поля могут взаимодействовать так, что энергия входящего фотона преобразуется в энергию фотона другой частоты. При правильно организованном процессе сохраняются необходимые квантовые характеристики оптического сигнала. Это позволяет использовать преобразователь как интерфейс между физически разными участками квантовой сети.
Команда из Китайского университета науки и технологий и Цзинаньского института квантовых технологий использовала тонкоплёночный ниобат лития. Этот кристаллический материал обладает выраженными нелинейными оптическими свойствами, благодаря которым взаимодействующие световые волны могут обмениваться энергией. Исследователи сформировали в нём микроскопический волновод — структуру, удерживающую свет в узкой области и направляющую его распространение.
Для преобразования использовался мощный лазер накачки с длиной волны 527 нанометров. Взаимодействие его излучения с входящим фотоном длиной волны 393 нанометра позволяло получить выходной фотон в телекоммуникационном диапазоне около 1550 нанометров. Процесс называется генерацией разностной частоты. Разница между энергиями входного и выходного фотонов передаётся полю накачки, поэтому общий энергетический баланс сохраняется.
Однако одной подходящей длины волны недостаточно. В нелинейном кристалле необходимо согласовать распространение взаимодействующих оптических волн, иначе их вклады будут взаимно компенсироваться. Для этого исследователи использовали периодическую поляризацию ниобата лития. Внутри материала чередуются области с противоположной ориентацией кристаллической поляризации, что позволяет поддерживать эффективное преобразование на протяжении волновода.
Вторая серьёзная проблема — оптический шум. Мощный лазер накачки способен вызывать побочные нелинейные процессы, создающие дополнительные фотоны. Для обычной оптической связи небольшой фон иногда допустим, но при передаче одиночных квантовых сигналов даже редкие посторонние фотоны могут существенно ухудшать результат. Поэтому преобразователь должен не только эффективно изменять частоту, но и сохранять чрезвычайно низкий уровень фонового излучения.
Исследователи изготовили сотни вариантов волноводных чипов и выбрали один из наиболее эффективных. Затем его включили в оптическую установку с линзами и дополнительными компонентами для ввода и вывода света. Испытания показали внешнюю эффективность преобразования 28,8%, уже с учётом потерь внутри оптического модуля. Уровень фонового шума составлял около 35 зарегистрированных отсчётов в секунду.
Это означает, что приблизительно 29 из каждых 100 входящих фотонов успешно проходили преобразование и выходили из модуля при условиях испытания. Для квантовой сети такой показатель ещё не идеален, поскольку потери фотонов ограничивают скорость установления запутанности между удалёнными узлами. Однако сочетание эффективности и малого шума особенно важно для работы со слабыми квантовыми сигналами. Улучшение одного параметра за счёт резкого ухудшения другого не принесло бы практической пользы.
После лабораторной проверки преобразователь объединили с системой захваченных ионов кальция-40. Даже при очень низкой интенсивности возбуждения удалось сохранить высокое отношение полезного сигнала к фоновому шуму. Это подтвердило, что устройство способно работать не только с обычным испытательным лазером, но и с источником света, представляющим интерес для квантовых сетей. При этом эксперимент не означает, что уже создана полноценная глобальная квантовая сеть.
Авторы также разработали модель, описывающую влияние дефектов периодической поляризации кристалла на эффективность преобразования. Это важно для дальнейшего совершенствования технологии: изготовление большого количества одинаково качественных фотонных чипов остаётся непростой инженерной задачей. Кроме того, исследователи предложили способ уменьшения шума за счёт различий в условиях эффективного преобразования полезного сигнала и возникновения нежелательных фотонов.
В перспективе технологию планируют адаптировать к другим ионным системам, включая иттербий-171, стронций-88 и барий-138. Они используют разные оптические переходы, поэтому универсальный квантовый интернет потребует интерфейсов для нескольких диапазонов длин волн. Главный результат работы заключается в демонстрации компактного преобразователя, который помогает согласовать свойства квантовых источников света с существующей оптоволоконной инфраструктурой. Это ещё не готовый квантовый интернет, но важный элемент будущих сетей, способных соединять удалённые квантовые процессоры и устройства памяти.
А затем «Добавить на главный экран».
