Ученые предложили схему создания "универсального переводчика" в квантовых сетях
Исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) предлагают решение одной из ключевых проблем квантовых сетей — устройство, способное «переводить» сигналы между микроволновым и оптическим диапазонами и обратно.
Эта технология может послужить универсальным переводчиком для квантовых компьютеров, обеспечивая их взаимодействие на больших расстояниях и преобразование до 95 % сигнала практически без шума. При этом всё устройство размещается на кремниевой микросхеме — том же материале, что используется в обычных компьютерах.
«Это словно найти переводчика, который понимает почти каждое слово, сохраняет смысл сообщения и не добавляет постороннего шума», — отмечает соавтор исследования Мохаммад Халифа, проводивший работу в рамках своей кандидатской диссертации на факультете прикладных наук UBC и в Институте квантовых материалов Стюарта Блуссона (SBQMI).
«Самое важное, что устройство сохраняет квантовые связи между удалёнными частицами и работает в обе стороны. Без этого мы получили бы лишь дорогие отдельные компьютеры, а с ним — настоящую квантовую сеть».
Принцип действия.
Квантовые компьютеры обрабатывают информацию с помощью микроволновых сигналов. Однако для передачи данных на большие расстояния — между городами или континентами — их необходимо преобразовать в оптические сигналы, передающиеся по оптоволоконным кабелям. Причём эти сигналы чрезвычайно хрупки, и малейшие помехи в процессе конвертации способны их разрушить.
Это представляет серьёзную проблему для явления запутанности — феномена, на котором базируется квантовая обработка информации, когда две частицы остаются связанными вне зависимости от расстояния. Эйнштейн называл это «зловещим действием на расстоянии». Потеря такой связи означает утрату квантового преимущества. Представленное устройство UBC, описанное в статье, опубликованной в журнале npj Quantum Information, способно обеспечивать квантовую связь на дальние дистанции, сохраняя эти запутанные связи.
Кремниевое решение!
Разработанная командой модель представляет собой преобразователь фотонов микроволнового и оптического диапазонов, реализуемый на кремниевой подложке. Ключ к прорыву — в тонко инженерных дефектах: магнитных центрах, намеренно внедрённых в кремний для контроля его свойств. При точной настройке микроволновых и оптических сигналов электроны в этих дефектах преобразуют один вид сигнала в другой, не поглощая энергию, что избавляет устройство от нестабильности, свойственной другим методам трансформации.
Кроме того, прибор работает эффективно при чрезвычайно низком уровне мощности — всего лишь миллионных долях ватта. Авторы предложили практическую конструкцию с использованием сверхпроводящих компонентов — материалов, обладающих идеальной электропроводностью — в сочетании с специально модифицированным кремнием.
Хотя исследование остаётся теоретическим, оно открывает важную перспективу для развития квантовых сетей.
«Завтра квантовый интернет не появится, но это крупнейший шаг вперёд, устраняющий серьёзное препятствие», — подчёркивает ведущий автор работы доктор Джозеф Салфи, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники и исследователь SBQMI.
«Сегодня надёжная передача квантовой информации между городами остаётся сложной задачей. Наш подход способен изменить ситуацию: кремниевые преобразователи можно производить на базе существующих технологий чипостроения и легко интегрировать в современную коммуникационную инфраструктуру».
В будущем квантовые сети обещают обеспечить практически неразрывную онлайн-безопасность, навигацию GPS, работающую в помещениях, а также возможность решать задачи, недоступные современным технологиям — от создания новых лекарств до существенно более точных прогнозов погоды.
