Квантовый интернет обещает гораздо больше, чем просто ещё один способ передачи данных. Такие сети потенциально смогут повысить безопасность связи, объединять возможности квантовых компьютеров и использоваться в научных приборах нового поколения.
Но для этого учёным приходится решать крайне сложную проблему — как передавать квантовую запутанность по обычным сетям связи.
При квантовой запутанности два объекта оказываются связаны таким образом, что измерение одного определяет результат измерения другого, независимо от расстояния между ними.
В лаборатории с этим уже давно работают. Гораздо сложнее сохранить такое состояние при передаче фотонов через реальные оптоволоконные кабели, где на них постоянно воздействует окружающая среда.
Теперь исследователи во главе со специалистами Национального института стандартов и технологий США сумели передать запутанные фотоны на расстояние 62 километра по уже существующей сети — и сохранить их квантовую связь.
Особенность эксперимента была не столько в расстоянии, сколько в условиях.
Значительная часть использованных кабелей проходила не под землёй, а висела на обычных уличных столбах между институтом и Мэрилендским университетом.
На такие линии постоянно воздействуют ветер, перепады температуры, вибрации от транспорта и даже пролетающие или садящиеся на провода птицы.
Для обычного интернета это не представляет серьёзной проблемы: фильмы, звонки и другие данные продолжают передаваться. А вот квантовая информация чрезвычайно чувствительна к подобным воздействиям.
Помехи меняют поляризацию фотонов — направление колебаний их электрического поля. Именно в поляризации в данном эксперименте была закодирована информация о квантовой запутанности.
Один из участников исследования назвал такую линию практически худшим соединением, какое только можно было выбрать для подобного опыта.
Чтобы компенсировать искажения, учёные отправляли по тому же кабелю лазерный сигнал и использовали его как ориентир. Измеряя, насколько изменилась его поляризация по дороге, система могла рассчитать необходимые поправки и применить их к запутанным фотонам.
Для этого приходилось периодически переключаться между передачей квантовых фотонов и контрольного лазерного света.
Однако калибровка заняла лишь 7,2% времени работы системы. Остальные 92,8% можно было использовать непосредственно для передачи стабилизированной квантовой информации.
По словам исследователей, эксперимент показывает, что фотоны с запутанной поляризацией действительно можно передавать даже по сложным и нестабильным оптоволоконным линиям, если активно компенсировать возникающие искажения.
Сам рекорд дальности здесь не установлен. Недавно квантовую запутанность удалось сохранить на 420 километрах оптоволокна. Но новый эксперимент важен именно тем, что проходил в гораздо менее контролируемых условиях, близких к тем, с которыми столкнётся настоящая инфраструктура.
До полноценного квантового интернета, впрочем, ещё далеко.
В эксперименте передавалось от 200 до 1500 запутанных фотонов в секунду. Исследователи считают, что для практической квантовой сети эту скорость потребуется увеличить. Среди возможных решений они называют более быстрое оборудование и более эффективные алгоритмы.
Если такие сети удастся развить, у них могут появиться весьма необычные применения.
Например, квантовая связь теоретически позволит объединять телескопы, находящиеся в разных точках Земли, так, чтобы они могли работать почти как единый огромный инструмент.
Ещё одно направление — защищённая передача данных. Удалённые узлы сети смогут использовать квантовые свойства для обмена секретной информацией, необходимой для проверки данных, причём перехватить её незаметно будет невозможно в рамках описанного подхода.
Главный результат нынешнего эксперимента гораздо проще: квантовые сетевые технологии способны работать не только в тщательно контролируемой лаборатории.
Они выдержали 62 километра обычного оптоволокна, висящего на уличных столбах и постоянно испытывающего воздействие реального мира.
Исследование опубликовано в Journal of Optical Communications and Networking.
