Будущий квантовый интернет сможет передавать информацию с помощью пар запутанных фотонов — это означает, что частицы обмениваются информацией во времени и пространстве независимо от расстояния. Основываясь на странных законах квантовой механики, информация, закодированная в этих запутанных фотонах, может передаваться на высоких скоростях, а их «квантовая когерентность» — состояние, в котором частицы запутаны — гарантирует, что данные не могут быть перехвачены.
Но одна из ключевых проблем в создании квантового интернета заключается в том, что сила этих фотонов может ослабевать по мере их распространения; источники света не были достаточно яркими. Чтобы построить успешный квантовый интернет, способный отправлять данные на огромные расстояния, фотоны должны быть достаточно сильными, чтобы предотвратить «декогеренцию» — когда запутанность теряется и информация, которую они содержат, исчезает.
В исследовании, опубликованном 24 июля в журнале eLight, ученые из Европы, Азии и Южной Америки создали новый тип источника квантового сигнала, используя существующие технологии, и добились чрезвычайно высокой яркости.
Они добились этого, объединив фотонный точечный излучатель (генератор одиночных фотонов, или частиц света) с квантовым резонатором (устройством для усиления квантовой сигнатуры), чтобы создать новый мощный квантовый сигнал.
Особый интерес в недавнем исследовании вызывает тот факт, что отдельные технологии были независимо проверены в лабораториях, но тестировались они только по отдельности. В данном исследовании они впервые были использованы в сочетании друг с другом.
Исследователи объединили фотонный точечный эмиттер с круговым брэгговским резонатором (отражатель, используемый для направления электромагнитных волн) на пьезоэлектрическом приводе (устройство, вырабатывающее электричество при воздействии тепла или напряжения). Вместе они создали улучшенную форму фотонного эмиттера, который может точно настраивать излучаемые фотоны для максимального поляризованного сцепления. Это контролировалось с помощью пьезоэлектрического привода.
Фотонные пары, генерируемые устройством, обладают высокой точностью запутывания и эффективностью извлечения — это означает, что каждый фотон достаточно ярок, чтобы быть полезным, и хорошо сохраняет свою «квантовую подпись» (полезное квантовое свойство). Ранее было сложно добиться одновременно и полезного уровня яркости, и высокой верности запутывания, поскольку для каждого аспекта требовалась своя технология, и их было сложно совместить масштабируемым образом.
Это значительный шаг вперед в развитии практических квантовых технологий, демонстрирующий, как они могут быть объединены вместе для создания более мощного и жизнеспособного источника света.
К сожалению, не стоит ожидать появления квантового интернета в ближайшее время, поскольку различные технологии по-прежнему находятся на стадии эксперимента и разработки. Для изготовления фотонного эмиттера, использованного в исследовании, также потребовалось токсичное сырье, в том числе мышьяк, который требует специальной обработки. Кроме того, существуют опасения по поводу безопасности использования арсенида галлия, из которого был изготовлен излучатель фотонных точек. Компания Fisher Scientific, поставщик лабораторного оборудования и химикатов для научных исследований, вносит арсенид галлия в список опасных материалов по нескольким причинам, включая его канцерогенные свойства.
Проблемы безопасности, связанные с использованием этих материалов, могут ограничить масштабируемость описанной методики. Поэтому может потребоваться поиск жизнеспособных альтернативных материалов для генерации ярких, запутанных фотонов для будущих сетей квантовой связи.
Следующим этапом в процессе разработки станет интеграция диодоподобной структуры в пьезоэлектрический привод. Это позволит генерировать электрическое поле через квантовые точки, чтобы противодействовать декогеренции и, следовательно, увеличить степень запутанности.
Хотя в разработке квантового интернета предстоит сделать еще много шагов, успешное объединение фотонного эмиттера и резонатора для получения фотонов с высокой яркостью и запутанностью — это значительный шаг вперед, говорят ученые.
Исследование, опубликованное в журнале eLight, открыло новые горизонты для квантовых технологий, продемонстрировав, что интеграция различных методов может значительно улучшить характеристики источников света. Увеличенная яркость и высокая степень запутанности фотонов обещают потенциальные преимущества для создания более эффективных квантовых коммуникационных систем. Это открытие может положить начало эре, когда защищенная передача информации станет не только возможной, но и обычной практикой.
Тем не менее, несмотря на многообещающие результаты, остается ряд технических и этических вопросов, требующих решения. Безопасность материалов, используемых в производстве фотонных эмиттеров, остается важной темой для дискуссий в научном сообществе. Исследователи уже сейчас рассматривают альтернативные подходы к созданию более безопасных и устойчивых компонентов.
Дальнейшие эксперименты, направленные на устранение указанных проблем, помогут продвинуться к реализации квантового интернета. Успешная комбинация технологий может стать основой для будущих стандартов квантовой связи, обеспечивая более быстрые и защищенные методы передачи данных в эпоху цифровой информации.
