Квантовые повторители наделили памятью из алмазов

Американские физики создали квантовый повторитель на основе спинов в алмазном резонаторе и продемонстрировали на нем процедуру квантового распределения шифровального ключа. С помощью такого рода повторителей можно построить большие квантовые сети, на основе которых реализуется квантовый интернет. Работа опубликована в Nature.

Квантовые компьютеры потенциально создают угрозу всей современной криптографии, однако квантовая криптография — технология распределения шифровальных ключей, закодированных в квантовых состояниях — способна защитить данные даже от самых мощных компьютеров. Протоколы квантовой криптографии чаще всего реализуются с использованием фотонов, распространяющихся по оптоволокну, но, к сожалению, одиночные фотоны не способны долго «жить» в оптоволокне, поэтому расстояния между узлами квантовых сетей пока не превышают сотни километров.

Одно из возможных решений — это установка повторителей, который усиливают сигнал, и не дают фотонам затухать. Однако, если повторитель будет классический, то вся зашифрованная в квантовом состоянии информация превратиться в классическую и может быть легко украдена. Поэтому ученые работают над квантовыми повторителями, создание которых является крайне трудной задачей.

Группа физиков из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института под руководством профессора Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра, впервые реализовала квантовую систему, которая может служить повторителем при квантовом распределении ключа и, в дальнейшем, при передаче данных по квантовому интернету.

В качестве примера, группа рассмотрела протокол квантового распределения ключа между двумя пользователями (Алисой и Бобом) с использованием третьей стороны, которая в результате не получает ключ, но предоставляет двум легитимным пользователем важную информацию о квантовом состоянии, используемом для распределения ключ. Для этого третья сторона проводит белловское измерение состояний, которые изначально отправляют Алиса и Боб, и объявляет по открытом каналу результат. Этот результат вместе с информацией о начальном состоянии, которая есть только у Алисы и Боба, дает битовую строку, которую можно использовать в качестве ключа.

Проблема заключается в том, что состояния, закодированные в фотоны, которые отправляют Алиса и Боб должны дойти до третьей стороны одновременно, что крайне маловероятно. Поэтому третья сторона должна представлять из себя квантовую систему с некоторой памятью, что и было реализовано группой Михаила Лукина.

В качестве узла памяти ученые выбрали кремниевые вакансии в алмазном резонаторе. Фотоны, приходящие от Алисы и Боба взаимодействуют со спинами в алмазе, что приводит к сохранению состояния фотонов на достаточно долгое время, в эксперименте — около 0,2 миллисекунды. Затем это состояние измеряется в белловском базисе, и результат измерения объявляется.

Физики проверили действительно ли распределение ключа является квантовым с помощью неравенств Белла — нарушение неравенства составило 2,2, в то время как чисто классическая граница равна 2. В дальнейшем ученные собираются использовать более долгоживущие ядра изотопа углерода, что значительно увеличит эффективность узла, а также попытаются масштабировать квантовую сеть.

Недавно мы писали о том, как ученым удалось запутать два узла квантовой памяти, каждый из которых содержал 100 миллионов охлажденных атомов, через оптоволокно длиной 50 километров. В 2017 году группа Лукина создала рекордно большой на то время квантовый симулятор из 51 кубита, а в 2019 году смоделировала фазовый переход на этом симуляторе. Подробнее про квантовую криптографию вы можете прочитать в нашем материале «Квантовая связь без лишнего шума».