Лазеры сквозь турбулентность, телескопы и ночное небо. Физики передали запутанные фотоны на 21 километр без оптоволокна
Американская квантовая сеть впервые вышла из оптоволокна буквально в открытый воздух. Учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории и Университета Стоуни-Брук передали квантовые состояния света через атмосферу на 21 км, а затем провели более сложный эксперимент с запутанными фотонами. По словам исследователей, подобную передачу между наземными объектами в США продемонстрировали впервые. О результатах 21 августа сообщил Университет Стоуни-Брук.
Новая линия связывает Quantum Watchtower на крыше медицинского центра Стоуни-Брук в штате Нью-Йорк и Quantum Lighthouse на территории Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне. Расстояние между площадками составляет 13 миль, или 21 км. Quantum Lighthouse разместили на крыше семиэтажного здания, причём инженерам пришлось выбрать единственное здание лаборатории с прямой видимостью университетской площадки.
Во время дневной демонстрации 21 августа лазер в Стоуни-Брук формировал квантовые состояния света, содержащие всего несколько фотонов. Свет выходил из сердцевины оптоволокна диаметром около пяти микрон, меньше одной десятой толщины человеческого волоса, затем проходил через 21 км атмосферы и попадал в приёмную систему Brookhaven. Сверхбыстрая камера регистрировала пришедшие фотоны при вводе света обратно в столь же тонкое волокно.
Главная сложность заключалась не столько в расстоянии, сколько в воздухе между двумя площадками. Радиоканал для передачи подобных квантовых состояний не подходит из-за высокого уровня шума, однако и оптический луч в атмосфере постоянно искажается турбулентностью. Нагретый асфальт, здания, деревья, ветер и неодинаковая температура воздуха меняют траекторию света и мешают точно направлять единичные фотоны в крошечную сердцевину приёмного волокна.
Для решения задачи инженеры воспользовались технологиями, пришедшими из астрономии. Телескопы и адаптивная оптика отслеживают атмосферные искажения и корректируют форму светового фронта в реальном времени. Деформируемые зеркала меняют поверхность тысячи раз в секунду, компенсируя воздействие турбулентности. Перед отправкой система расширяет световой пучок от пяти микрон примерно до 25 дюймов, или 0,6 м, в соответствии с размером главного зеркала телескопа, а на противоположной стороне снова фокусирует свет до размера сердцевины оптоволокна. Техническое устройство линии подробнее описала Brookhaven Lab.
Дневная передача стала не самым сложным этапом эксперимента. Ещё 19 августа, в 00:26 по восточному времени США, аппаратура Quantum Lighthouse зарегистрировала запутанные фотоны, отправленные из Стоуни-Брук. Физики сначала передавали пары из лаборатории университета к Quantum Watchtower по оптоволокну, после чего фотоны преодолевали оставшиеся 21 км уже через открытый воздух. Ночное время выбрали из-за меньшего количества фонового света, который затрудняет регистрацию одиночных фотонов. Успешное измерение подтвердило возможность распределять квантовую запутанность через новый свободно-пространственный оптический канал.
Свободно-пространственная линия FSO не должна заменить оптоволокно. Brookhaven и Стоуни-Брук уже развивают квантовую сеть общей протяжённостью 161 милю, около 259 км, которая объединяет восемь узлов в нескольких организациях на Лонг-Айленде и в агломерации Нью-Йорка. Новый радиоканал в привычном смысле слова к сети не добавляли. Вместо радиоволн исследователи создали оптический участок без физического кабеля, дополнив существующую волоконную инфраструктуру. Власти штата Нью-Йорк называют действующую систему крупнейшей квантовой сетью США. Данные о проекте подтверждают протяжённость 161 милю и восемь действующих узлов.
Отказ от кабеля даёт ещё одно важное преимущество. Коммерческое оптоволокно лучше всего работает в телекоммуникационных диапазонах длин волн, тогда как многие квантовые процессоры, атомные системы и другие экспериментальные устройства используют собственные инфракрасные диапазоны. Перевод фотонов из одного диапазона в другой усложняет оборудование и приводит к дополнительным потерям. Свободное пространство снимает часть ограничений и позволяет передавать свет на длинах волн, естественных для конкретных квантовых устройств. Исследователи рассчитывают таким способом напрямую связывать удалённые атомные системы и в перспективе объединять квантовые компьютеры.
Следующий участок сети уже строится. Третью площадку FSO подготовили в Йельском университете в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. После запуска линия Стоуни-Брук - Йель должна протянуться через пролив Лонг-Айленд на 30 миль, или 48 км. Инженерам предстоит повторить передачу запутанных фотонов уже на более чем вдвое большей дистанции.
Дальнейшие планы выходят далеко за пределы Нью-Йорка. Команда Brookhaven хочет научиться отслеживать спутники с помощью оборудования Quantum Lighthouse, а затем передавать квантовую информацию через атмосферу аппаратам на орбите. Спутниковые участки позволили бы соединять удалённые регионы без прокладки тысяч километров наземного оптоволокна и превратить региональную инфраструктуру в распределённую квантовую сеть. Пока свободно-пространственная линия остаётся экспериментальной: туман блокирует передачу, солнечный свет повышает фоновый шум и усиливает атмосферную турбулентность, поэтому первые эксперименты с запутанными фотонами проводят преимущественно ночью и в ясную погоду. Разработчики намерены со временем добиться устойчивой передачи одиночных фотонов в любое время суток и при более сложных погодных условиях.