Новый масштабируемый подход к реализации квантовой сети связи на основе атомов иттербия-171

Квантовые сети, системы, состоящие из связанных между собой квантовых компьютеров, квантовых датчиков или других квантовых устройств, обладают потенциалом обеспечения более быстрой и безопасной связи. Создание этих сетей основано на квантовом явлении, известном как запутанность, которое влечет за собой связь между частицами или системами, при этом квантовое состояние одной влияет на другую, даже когда они находятся далеко друг от друга.

Кубиты на основе атомов, используемые для создания квантовые сети до сих пор работают в видимом или ультрафиолетовом диапазоне волн, что не идеально для передачи сигналов на большие расстояния по оптическим волокнам. Однако преобразование этих сигналов в длины волн телекоммуникационного диапазона может снизить эффективность связи и создать нежелательные сигналы, которые могут нарушить связь между кубитами.

Исследовательская группа из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн под руководством профессора Джейкоба П. Кови недавно реализовала квантовую сеть телекоммуникационного диапазона с использованием массива атомов иттербия-171. Их бумага, опубликовано в Физика природыпредставляет многообещающий подход к реализации высокоточной запутанности между атомами и оптическими фотонами, генерируемыми непосредственно в телекоммуникационном диапазоне.

«Сети квантовые устройства Общая запутанность открывает новые возможности в квантовой информатике», — рассказал Phys.org Сие Ху, соавтор статьи.

«Иттербий-171, традиционно используемый в оптических атомных часах из-за его долгоживущего метастабильного состояния, стал изобретательным кандидатом в сообществе атомных массивов с новыми приложениями в квантовых вычислениях и метрологии».

Чтобы реализовать свою квантовую сеть, Ху и его коллеги использовали уникальные свойства ¹⁷¹Массивы атомов Yb, которые, как известно, перспективны для связи на большие расстояния. Их сеть знаменует собой значительный шаг на пути к созданию сети квантовых процессоров, которые могут поддерживать распределенные вычисления, или квантовой сети атомных часов для приложений точного хронометража и зондирования.

«Из метастабильного состояния в ¹⁷¹Yb имеет умеренно широкий переход на длине волны 1389 нм, который мы использовали для реализации закодированной по времени запутанности между одиночный атом и телекоммуникационный диапазон одиночный фотон с высокой точностью», — пояснил Ху.

«Отобразив наш одномерный массив атомов на коммерческом волоконном массиве, мы показали, что сбор одиночных фотонов и последующую генерацию запутанности можно распараллелить по всему массиву».

Ху и его коллеги продемонстрировали осуществимость своего подхода к параллельным квантовым сетям в серии тестов и обнаружили, что он обеспечивает одинаково высокую точность запутанности и незначительные перекрестные помехи на разных участках сети. Затем они также разработали «промежуточный сетевой протокол», инструмент, который позволяет сохранять согласованность кубитов данных во время сетевых попыток.

«Мы подробно изучили как физические, так и технические факторы, которые ограничивают достигнутую точность запутывания атомов и фотонов при кодировании по времени, и предложили конкретные решения для улучшений», — сказал Ху.

«Важно отметить, что мы показали, что точность 99% легко достижима при технической модернизации. Во-вторых, мы подтвердили, что оптоволоконный массив не создает дополнительных источников ошибок, которые могут помешать точности перепутывания».

Ключевая особенность ¹⁷¹Массив атомов Yb, используемый исследователями, заключается в его геометрическом сходстве с массивом волокон. Ху и его коллеги считают, что их сеть может быть полезна для решения обобщенных задач распараллеливания (т. е. задач, которые можно разделить на более мелкие подзадачи и выполнять одновременно разными кубитами или устройствами в сети).

Стратегии проектирования и сетевой протокол промежуточной схемы, разработанные этими исследователями, вскоре могут быть использованы другими исследовательскими группами для реализации параллельных квантовых сетей. Протокол оказался весьма перспективным для планирования сетевых задач, сохраняя при этом согласованность вычислений или хранения данных на одном квантовом процессоре в более крупной сети.

«Одним из наиболее существенных улучшений, которые мы можем сделать в рамках нашей будущей работы, является переход от использования объектива к использованию полости для сбора одиночных фотонов», — сказал Ху. «Помимо прочего, полость обеспечивает на несколько порядков повышение эффективности сбора данных, что значительно повышает скорость работы в сети».

Исследователи из лаборатории Кови в настоящее время разрабатывают новый эксперимент с иттербием второго поколения, направленный на реализацию высокоскоростной связи на большие расстояния в квантовой сети. В этом эксперименте команда планирует поместить массив атомов внутри макроскопической конфокальной полости с покрытием, обеспечивающим переход на длину волны 1389 нм.

«Атомно-фотонная запутанность, закодированная во времени, продемонстрированная в рамках нашей недавней работы, также в конечном итоге будет расширена для реализации удаленных атом-атомных взаимодействий. запутанностьлибо между двумя атомами в одном аппарате, либо между двумя атомами в двух разных аппаратах», — добавил Ху.

© 2025 Сеть Science X