Скорость передачи запутанных состояний впервые превысила скорость их разрушения
Физики из Технического университета Делфта (Нидерланды) построили первую квантовую сеть, в которой скорость передачи квантовых состояний между кубитами превысила время их декогеренции (разрушения). В качестве кубитов ученые использовали NV-центры в алмазах, а для повышения эффективности сети исследователи модифицировали стандартную двухфотонную схему и максимально уменьшили влияние фоновых шумов. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Основная задача квантовой связи — запутывание» систем, находящихся на противоположных концах линии, то есть синхронизация их квантовых состояний. Как правило, такую синхронизацию выполняют по следующей схеме. Сначала ученые случайным образом изменяют квантовое состояние системы, которую нужно запутать с системой на противоположном конце линии, и заставляют ее излучать фотоны, состояние которых связано с состоянием системы. Затем полученные фотоны передают по оптоволоконным кабелям (или любым другим способом) и сравнивают, дожидаясь момента, пока их состояния не совпадут. Как только такой момент наступает, синхронизация считается оконченной. Подробнее про квантовую запутанность и работу квантовых линий связи можно прочитать в наших материалах «Квантовая азбука: „Нелокальность“» и «Квантовая азбука: „Телепортация“».
Ключевыми параметрами квантовой сети, определяющими ее эффективность, является скорость генерации фотонов и скорость декогеренции (разрушения) квантовых систем. Первый из параметров определяет, как часто по линии связи можно передавать квантовые состояния (сто раз в секунду или один раз в час), а второй — как долго состояния сохраняются после передачи. Отношение этих скоростей называют эффективностью квантовой связи; чем выше эффективность, тем больше совпадают квантовые состояния систем на противоположных концах линии. В физике степень совпадения измеряют с помощью параметра «верности» (fidelity), который равен единице для запутанных состояний и нулю для абсолютно случайных состояний. Соответственно, в пределе нулевой эффективности линии «верность» равна одной четвертой (то есть квантовой запутанности нет), а в пределе бесконечно большой эффективности стремится к единице по довольно сложной формуле. Переломный момент, при котором «верность» становится больше ½, наступает при эффективности линии более 0,83. Проще говоря, при высокой частоте генерации фотонов и низкой скорости распада состояний запутать системы на противоположных концах линии легко, а в противоположном случае — сложно.
Таким образом, для создания полноценной квантовой сети необходимо повысить скорость генерации фотонов и научиться как можно дольше сохранять состояния систем на противоположных концах линии, причем за обоими параметрами нужно следить одновременно. К сожалению, в настоящее время эффективность линий квантовой связи не превышает единицы, и непрерывно передавать состояния не получается — вместо этого ученые используют постобработку, то есть дополнительно отслеживают моменты, в которые системы были запутаны. Например, частота генерации фотонов полупроводниковыми квантовыми точками достигает несколько килогерц, однако частота декогеренции подобных систем еще в десять тысяч раз больше, и итоговая эффективность квантовой сети исчезающе мала. Более перспективными квантовыми системами служат NV-центры — точечные дефекты в алмазе, которые получаются при удалении из его кристаллической решетки атома углерода и связывании возникшей вакансии с атомом азота. Частота генерации фотонов в подобных системах достигает десяти миллигерц, а частота декогеренции находится на уровне одного герца.
Именно такие системы группа физиков под руководством Рональда Хансона (Ronald Hanson) использовала для создания квантовой сети с рекордно большой эффективностью. В поставленном ими эксперименте NV-центры моделировали кубиты, состояние которых определялось проекцией спина центра, и находились на расстоянии около двух метров друг от друга. Изначально каждый из кубитов переводился путем оптической накачки в состояние «спин вверх», а затем когерентно «поворачивался» в произвольное состояние под действием микроволнового импульса. Другими словами, итоговое состояние кубита представляло собой комбинацию состояний «вверх» и «вниз» с некоторыми коэффициентами, которые определялись параметрами импульса. После этого ученые облучали кубит лазером и заставляли его излучать запутанные фотоны — так, что вероятность обнаружить эти фотоны в сети определялись теми же коэффициентами, что и состояние кубита.
Кроме того, чтобы повысить скорость генерации фотонов и уменьшить частоту декогеренции, ученые модифицировали стандартную двухфотонную схему для передачи квантовой запутанности, добавив в нее стадию стабилизации состояний. На этом этапе ученые снова облучали кубиты лазером, использованном для оптической накачки, и ловили отраженные фотоны детектором, с помощью которого подтверждалась квантовая запутанность систем на одном из предыдущих этапов. На основании этих измерений физики подстраивали фазу фотонов, растягивая оптоволокно с помощью специальных пьезоэлектрических растяжителей. Кроме того, исследователи как можно сильнее снизили влияние внешних фоновых шумов на состояние NV-центров. Это позволило им добиться увеличения времени декогеренции систем с пяти микросекунд до нескольких сотен миллисекунд (то есть примерно в сто тысяч раз). Частота генерации фотонов при этом находилась на уровне нескольких герц, что более чем в сто раз превышало результаты предыдущих экспериментов.
В результате эффективность построенной физиками линии связи достигала десяти, что позволяло им получать запутанные состояния с высокой степенью «верности» и «на лету» корректировать возникающие расхождения между кубитами. Например, при частоте генерации фотонов около шести герц «верность» примерно равнялась F ≈ 0,82, а на частоте порядка сорока герц F ≈ 0,62. Постобработка данных при этом не требовалось. Таким образом, ученые впервые научились запутывать состояния быстрее, чем они начинали разрушаться. По словам авторов статьи, это достижение позволит в ближайшем будущем подключить к сети третье устройство и создать настоящий «квантовый интернет», по которому системы будут обмениваться квантовыми состояниями. Напомним, что в настоящее время все квантовые сети соединяют не более двух систем.
За последние десять лет дальность передачи информации по квантовым каналам связи выросла в несколько миллионов раз. Так, в 2009 году физикам удавалось передать квантовые состояния ионов на расстояние всего одного метра, а в сентябре 2017 года рекорд дальности квантовой связи, установленный китайскими физиками, составил более 7500 километров. Кроме того, ученые постоянно совершенствуют каналы связи, уменьшая в них число потерь и ускоряя исправление ошибок, которые неизбежно возникают при передаче запутанных фотонов. Эти достижения позволили ученым построить простейшие квантовые сети, которые работают в условиях мегаполиса. В частности, одна из таких сетей работает в Москве и используется для передачи ключей шифрования между двумя отделениями «Газпромбанка». Подробнее прочитать, как устроена эта линия, можно в нашем интервью с учеными, которые участвовали в ее постройке.
Дмитрий Трунин
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.