Возможность составлять из отдельных квантовых компьютеров сложные сети упирается в необходимость удерживать квантовое состояние достаточно долгое время, превышающее время передачи сигнала.

Австралийские ученые предложили использовать для этого элементы квантовой памяти на основе ионов эрбия, соединенных оптоволоконным кабелем. Время когеренции в такой системе составило более одной секунды, что на 4 порядка больше всех предложенных ранее вариантов. Работа опубликована в Nature Physics.

Любой компьютер, даже квантовый, в настоящее время не сможет реализовать весь свой потенциал, если он работает в одиночку.

Объединение квантовых компьютеров в сети, информация внутри которых передается в виде световых пучков, может дать возможность для создания квантового интернета. Однако такая возможность упирается не столько в технические проблемы, сколько в фундаментальные физические. Для создания системы узлов, которыми являются элементы квантовой памяти, и каналов передачи информации между ними связана с необходимостью достаточно долго поддерживать когерентное состояние квантовых элементов.

Управление квантовым состоянием при этом происходит с помощью оптического взаимодействия между отдельными фотонами и атомами. А время когеренции должно быть порядка времени передачи сигнала (то есть не меньше 100 миллисекунд).

Квантовый интернет

В своей новой работе в качестве элемента такой сети элементов квантовой памяти физики предложили использовать ионы эрбия 167Er3+. Его квантовые свойства уникальны тем, что он работает в той же полосе, что и существующие сейчас оптоволоконные сети (в современных телекоммуникационных оптоволоконных сетях используется длина волны 1310 или 1550 нанометров, а основной оптический переход иона эрбия соответствует длине волны 1538 нанометров).

Благодаря этому нет необходимости дополнительно преобразовывать сигнал при передаче между элементами. При этом устойчивость уровней сверхтонкого расщепления иона эрбия может достигать 23 дней. Разумеется, обладая такими свойствами, такой ион не мог не привлечь внимания исследователей, однако все предыдущие авторы пытались использовать для хранения информации сам оптический переход, а не расщепленные спиновые уровни. Поэтому эффективность таких устройств не превышала одного процента, а максимальное время хранения информации не превышало 50 наносекнд.

Состояние иона эрбия стабилизировалось кристаллической решеткой материала ионной ловушки Y2SiO5, в которую эрбий вводился в качестве допирующего элемента. Для увеличения времени жизни уровней сверхтонкого расщепления во время работы ученым пришлось использовать температуру не больше 3 кельвинов и магнитные поля до 7 тесла. Это позволило увеличить время жизни спинового состояния за счет подавления взаимодействий с другими электронами и с кристаллической решеткой материала ионной ловушки.

Таким образом, ученым удалось показать, что предложенный механизм с использованием ионов эрбия может быть использован для создания сетей из нескольких квантовых элементов памяти. Стоит отметить, однако, что сейчас работа таких устройств будет требовать очень низких температур и очень больших магнитных полей, что может заметно осложнить переход к их реальному использованию.

Недавно, используя элементы квантовой памяти на основе ионов рубидия, ученым удалось реализовать протокол прямой защищенной связи. Если все предложенные принципы работы таких сетей удастся совместить и реализовать при более приемлемых условиях, это может сильно приблизить действительное появление квантового интернета.