Квантовая запутанность преодолела 420 км по оптоволокну и вышла за предел теории без повторителей
Вероятность распределения запутанности на таких дистанциях может превысить теоретический предел прямой передачи
Учёные Университета науки и технологий Китая (USTC) совместно с Шанхайским институтом микросистем и информационных технологий Китайской академии наук реализовали квантовую запутанность между двумя квантовыми запоминающими устройствами через оптоволоконную линию длиной 420 км. Эксперимент не только стал новым результатом по дальности запутывания материальных кубитов (физических носителей квантовой информации), но и позволил преодолеть теоретический предел для прямого распределения квантовой запутанности без квантовых повторителей на дистанциях свыше 230 км.
Квантовые запоминающие устройства сохраняют квантовое состояние и позволяют передавать его между узлами квантовой сети. Запутанность между такими устройствами считается одной из основ квантового интернета: она необходима для дальних квантовых коммуникаций с использованием повторителей, распределённых квантовых вычислений и распределённых квантовых измерений.
Команда USTC последовательно увеличивала дальность таких экспериментов. В 2020 году учёные реализовали запутанность между 2 квантовыми запоминающими устройствами через 50 км оптоволокна. В 2024 году на этой основе в Хэфэе они построили первую в мире трёхузловую сеть квантовых запоминающих устройств городского масштаба. В 2026 году команда получила высокоточную запутанность между 2 узлами на расстоянии 100 км и продемонстрировала распределение квантовой криптографии, не зависящее от характеристик измерительных устройств.
Основной проблемой при увеличении расстояния остаётся вероятность успешного установления запутанности: с ростом длины оптоволокна потери фотонов увеличиваются, поэтому необходимо одновременно снижать потери при передаче и сохранять стабильность фазы одиночных фотонов. В предыдущих работах команда решала задачи стабилизации фазы на длинных оптических линиях, синхронизации удалённых лазеров и эффективного преобразования квантовой частоты при низком уровне шума.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Для эксперимента на 420 км учёные изменили сразу несколько элементов системы. Длину волны квантового запоминающего устройства переключили с 795 на 780 нм, а схему преобразования квантовой частоты перестроили таким образом, чтобы испускаемые запоминающими устройствами фотоны попадали в окно передачи оптоволокна со сверхнизкими потерями. Это позволило уменьшить потери, возникающие при распространении фотонов по линии.
Для стабилизации относительной фазы фотонов использовали комбинацию методов фазовой привязки. Полная привязка на частотах, удалённых от резонанса, снижала высокочастотные шумы, а периодическая двухдиапазонная привязка компенсировала медленные изменения фазы. В итоговой схеме применялась технология стабилизации с двумы длинами волн и тремя частотами, объединяющая непрерывное и временное разделение каналов.
После этого команда провела эксперименты на оптоволоконных линиях различной длины. Даже на максимальной дистанции 420 км фотоны, испущенные двумя квантовыми запоминающими устройствами, сохраняли стабильную интерференцию одиночных фотонов. Это непосредственно подтвердило наличие квантовой запутанности между устройствами.
Особенность эксперимента заключается не только в дальности, но и в вероятности установления запутанности. При прямом распределении запутанности вероятность успеха определяется эффективностью передачи по всему каналу. В использованной схеме с интерференционным соединением одиночных фотонов вероятность успеха зависит только от половины эффективности передачи канала. Поэтому на дистанциях более 230 км такая схема способна превысить PLOB-предел — теоретическое ограничение на пропускную способность прямого квантового канала без повторителей.
По словам авторов работы, экспериментальная система создаёт платформу для изучения приложений квантовых сетей за пределами городского масштаба. Достигнутая дальность и используемые технологии передачи и стабилизации делают возможным дальнейшее исследование межгородских квантовых сетей.