Дослідники Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) та Університету Мериленду зробили важливий крок до створення квантового інтернету. Їм вдалося передати заплутані фотони на відстань 62 км через звичайну телекомунікаційну інфраструктуру, причому майже 70% маршруту проходило повітряними оптоволоконними лініями на стовпах.

Експеримент показав, що для квантового зв’язку потенційно можна використовувати вже наявні телекомунікаційні мережі, а не будувати для цього окрему інфраструктуру.

Квантовий зв’язок у реальних умовах

Квантове заплутування вважається одним із ключових елементів майбутнього квантового інтернету. Заплутані фотони мають корельовані квантові властивості, що дає змогу використовувати їх для захищеної передачі інформації та створення розподілених квантових обчислювальних систем.

Однак підтримувати такий стан під час передачі значно складніше, ніж звичайний сигнал. Навіть невеликі зовнішні впливи можуть порушити квантові властивості фотонів.

Саме тому особливе значення має те, що цього разу дослідники працювали не в ізольованій лабораторній системі, а з реальною міською телекомунікаційною лінією.

Випробування між двома лабораторіями

Експериментальний канал з’єднав лабораторію NIST у Гейтерсберзі з Університетом Мериленду в Коледж-Парку. Його довжина становила 62 км.

Основною проблемою стали не кілометри, а умови експлуатації кабелю. Повітряні лінії постійно піддаються впливу вітру, температурних коливань і вібрацій від транспорту. Через це змінюються властивості оптичного волокна та поляризація світла.

Для звичайної передачі даних такі зміни можуть бути незначними. Для квантового сигналу вони здатні суттєво погіршити якість заплутаного стану.

Як передавали заплутані фотони

У лабораторії NIST джерело генерувало пари фотонів у заплутаному стані Белла Φ+. Їхні горизонтальні та вертикальні поляризації були квантово пов’язані між собою.

Після цього фотони розділяли за довжиною хвилі. Один залишався в лабораторії NIST, а другий вирушав 62-кілометровим оптоволоконним каналом до Мериленду.

Передача супроводжувалася значними втратами. Саме волокно давало приблизно 18 дБ втрат, а ще близько 3 дБ додавали з’єднання та обладнання для контролю поляризації.

Для реєстрації одиничних фотонів науковці використали надпровідні нанодротові детектори з ефективністю понад 70%.

На локальному рівні джерело генерувало близько 200 тисяч пар фотонів за секунду. Після проходження всієї лінії дослідники фіксували приблизно 1500 збіжних пар за секунду.

Стабільність забезпечив лазерний сигнал

Одним із головних завдань експерименту було постійно компенсувати зміни поляризації.

Для цього дослідники періодично передавали через волокно опорний лазерний сигнал потужністю близько 0,5 мВт. Його довжина хвилі становила 1549,32 нм — така сама, як у квантового сигналу.

Система аналізувала зміни кількох контрольних станів поляризації та за допомогою алгоритму коригувала їх. Якщо ймовірність збереження потрібного стану опускалася нижче 98%, система запускала процедуру корекції, після якої показник перевищував 99%.

Квантовий сигнал і калібрувальний лазер працювали почергово. Це було необхідно, щоб потужне лазерне випромінювання не заважало детекторам реєструвати поодинокі фотони.

За добу експерименту система витрачала на корекцію поляризації лише 7,2% часу. Решту 92,8% часу канал використовували безпосередньо для передачі заплутаних фотонів.

Коли стабілізацію вимикали, якість квантового стану швидко погіршувалася і самостійно не відновлювалася.

Чому цей результат важливий

Результати експерименту свідчать, що навіть звичайна телекомунікаційна інфраструктура, яка не створювалася спеціально для квантових технологій, може використовуватися для передачі заплутаних станів.

Це потенційно відкриває шлях до поступового розгортання квантових мереж на базі вже існуючих оптоволоконних ліній. Водночас питання швидкості передачі та подальшого масштабування таких систем ще потребують вирішення.

Особливо важливою така технологія може стати за межами навколоземної орбіти, де традиційні навігаційні та комунікаційні системи мають обмеження.

Квантовий інтернет виходить за межі Землі

Над технологіями квантового зв’язку працюють не лише для наземних мереж. Цей напрям розвивається і в космічній сфері.

Зокрема, Boeing провела наземні випробування супутника Q4S, здатного генерувати чотири заплутані фотони. Такий підхід може дозволити об’єднувати окремі пари фотонів у єдину квантову мережу. Запуск апарата запланований на 2027 рік.

У Європі тим часом Латвія та Литва розвивають транскордонну квантову мережу Lat-LitQN. Проєкт передбачає квантово захищене з’єднання між Ригою та Вільнюсом завдовжки близько 300 км у межах європейської ініціативи EuroQCI.

Водночас IBM і Cisco працюють над ширшою архітектурою квантового інтернету, яка має об’єднати десятки тисяч кубітів у спільну мережу квантових обчислень.

Звичайне оптоволокно може стати основою квантових мереж

Експеримент NIST та Університету Мериленду важливий насамперед тим, що демонструє можливість роботи квантового зв’язку в умовах, максимально наближених до реальної телекомунікаційної інфраструктури.

Передача заплутаних фотонів через 62 км звичайного волокна показала: навіть вплив вітру, температури та вібрацій не обов’язково робить існуючі мережі непридатними для квантових технологій.

Наступним викликом стане масштабування таких систем, збільшення швидкості передачі та об’єднання окремих квантових каналів у повноцінну мережу. Саме це може стати одним із ключових етапів на шляху до практичного квантового інтернету.