Запутанность двух ионов распространили на 230 метров

Европейские и американские физики провели опыты по запутыванию двух ионных кубитов, разделенных расстоянием 230 метров. Суммарная длина связывающего их волокна составила при этом 520 метров. В итоге ученые добились степени соответствия запутывания, равной 88 процентам. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Квантовые сети — естественное направление развития квантовых коммуникаций, когда число ее участников превышает два. Такие структуры позволят организовывать передачу информации между большим числом узлов способом, защищенным законами квантовой механики. Кроме того, без квантовых сетей сложно представить себе распределенные квантовые вычисления.

Лучшим на сегодня способом передать квантовую информацию на большие расстояния остаются фотоны. В настоящее время фотоны способны переносить ее на тысячи километров. Однако этого недостаточно для построения квантового интернета: чтобы технология работала, сетям требуются узлы. Эти элементы должны уметь запутываться друг с другом с помощью фотонов, а также хранить и обрабатывать квантовую информацию.

Физики рассматривают на роль узлов сразу несколько типов кубитов: ионы в ловушках, нейтральные атомы, дефекты в алмазе, квантовые точки, сверхпроводящие кубиты. Ионный подход привлекателен высокой эффективностью и временем когерентности, достигающим часа, а также сочетанием с телекоммуникационными стандартами. Однако никто еще не запутывал такие кубиты на расстоянии, превышающем несколько метров.

Сделать это удалось группе физиков из Австрии, США, Франции и Швейцарии под руководством Бенджамина Ланьона (Benjamin Lanyon) из Института квантовой оптики и квантовой информации в Инсбруке и Трейси Нортап (Tracy Northup) из Инсбрукского университета. Поместив ионы в оптические резонаторы и используя генерацию фотонов в рамановском процессе, ученые смогли запутать два кубита, разделенных расстоянием 230 метров. Связь между ними обеспечивало оптическое волокно суммарной длиной 520 метров и установка по запутыванию фотонов.

Каждый из узлов представлял собой одиночный ион 40Ca+, подвешенный в линейной ловушке Пауля. Резонаторы, с которыми были связаны ионы, были оптимизированы для сбора фотонов на длине волны 854 нанометра. Идея эксперимента была в том, что ионы сначала запутывались с испускаемыми ими фотонами. Паре состояний иона соответствовала пара длин волн и поляризаций светового кванта.

Само запутывание происходило в промежутке между узлами (в 10 метров волокна от одного и 510 метров — от другого). Пара фотонов, пришедших от узлов, подавалась на вход установки по измерению белловских состояний. В рамках каждого эксперимента физики делали 20 попыток установления запутанности. При этом они искали совпадения в диапазоне временных окон шириной 50 микросекунд. В случае, когда совпадение возникало, ученые переходили к томографии ионных состояний. В результате они добились степени совпадения (fidelity), равной 88 процентам.

Ранее мы рассказывали, как запутывание атомных часов увеличило их точность.