Физики добились квантовой спутанности двух стационарных атомов, разделённых оптоволоконным кабелем длиной 33 километра. Эксперименты по запутанности фотонов давно известны, но реализовать запутанность атомов на сколь-нибудь существенных расстояниях — более трудная задача.
Новый рекорд получения состояния квантовой запутанности на расстоянии установили физики из университета Людвига—Максимилиана в Мюнхене (LMU). Они связали два атома рубидия, находящихся на расстоянии 33 километров друг от друга на двух концах оптического кабеля. Достижение — новый большой шаг в создании квантового интернета, который (пока что в гипотетическом будущем) позволит мгновенно обмениваться информацией между узлами в сети.
Квантовая запутанность (quantum entanglement) — свойство микрочастиц находиться в особом состоянии, в котором они образуют связанные пары: изменение характеристик одной частицы при этом мгновенно приводит к изменению характеристик другой. Измерение состояния одной из частиц поэтому автоматически позволяет узнать о состоянии другой. Частицы при этом не обязательно находятся близко друг к другу — как соседние атомы в кристалле или атомы в молекуле. Расстояние между ними квантовая механика (в теории) не ограничивает. Запутанность — одна из самых странных на сегодня и неинтуитивных характеристик квантовых систем. Запутанные частицы ведут себя как одно целое; что ещё более странно, изменения в их состояниях могут передаваться мгновенно. Эйнштейн в своё время назвал это явление «ужасным дальнодействием» (Spooky action at a distance) — ведь оно противоречит не только интуиции, но и на первый взгляд не вполне укладывается в научную картину квантовой механики и теории относительности. Сам он, видимо, не считал такое дальнодействие реальным, а скорее курьёзом математического аппарата квантовой механики. Впрочем, к особым математическим решениям своих же уравнений, предсказывающим чёрные дыры, он относился так же.
В ранних экспериментах с квантовой запутанностью участвовали пары субатомных частиц, находящихся в одном и том же месте. Затем расстояние между частицами всё увеличивалось. Также изучались более сложные явления, например, запутанность большого количества атомов (счёт атомов в таких экспериментах уже идёт на триллионы). Также известно, что квантовое запутывание встречается не только в лаборатории: эти свойства можно обнаружить у вещества звёзд и квазаров. Сравнительно не так давно физики добились запутанности атомов на расстояниях, которые можно исследовать уже не под микроскопом (сначала — порядка миллиметров). Даже такой результат по сравнению с субатомными расстояниями — огромное достижение, которое показывает, что квантовую физику можно «почувствовать» и в макромире. В недавнем эксперименте физики, как мы видим, продвинулись существенно дальше. Статья о результатах эксперимента по «сверхдлинному» запутыванию атомов вышла в июле 2022 года в Nature.
В общем случае квантовые сети состоят из узлов с отдельными квантовыми ячейками памяти. Их физическая реализация может быть разной — это могут быть атомы, ионы или дефекты в кристаллической решётке (ср. аналогичную картину с разнообразием физических реализаций элементов для квантовых вычислений). Узлы могут получать, хранить и передавать квантовые состояния, например, спин атомов или поляризацию фотонов, которые и передают те самые «нули и единицы» — носители информационных сообщений. Взаимодействие между узлами можно осуществить посредством фотонов, которые передаются или напрямую, как свет, или посредством оптоволоконных соединений. Для этого эксперимента физики использовали систему из двух оптически захваченных атомов рубидия на двух установках, расположенных в лабораториях университетского кампуса на расстоянии 700 метров. Два корпуса соединены оптическим кабелем, который делает множество витков и проходит через ряд вспомогательных устройств, так что суммарная длина оптического пути составляет 33 километра.
Лазерный импульс возбуждает оба атома, при этом каждый, возвращаясь в основное состояние, испускает фотон. Такой процесс уже вызывает квантовую запутанность: спин атома оказывается спутанным с другим квантовым состоянием — поляризацией фотона. Это явление хорошо знакомо физикам, и его даже можно почти интуитивно объяснить: спин («собственный вращательный момент электрона») связывается с поляризацией фотона (её тоже можно грубо представить как «вращательный момент фотона») из-за сохранения суммарного углового момента системы. Фотоны уже можно использовать, чтобы связать атомы. Для этого фотоны передаются по длинному оптокабелю на общую приёмную станцию.
Предыдущие попытки передачи таких фотонов по оптоволокну были неудачными: испускаемые фотоны относятся к видимому диапазону, а на таких частотах оптический кабель работает плохо — нужное квантовое свойство фотона теряется через несколько километров.
Чтобы обойти эту трудность, экспериментаторы использовали квантовое преобразование частоты с сохранением поляризации. При этом длину волны «рабочего» фотона увеличили с 780 нм (видимый свет) до 1517 нм. Такая длина волны близка к стандарту телекомов — 1550 нанометров — а это уже идеальный частотный диапазон для передачи света по оптоволоконному кабелю: на ней свет имеет наименьшие потери на единицу длины кабеля. Понятно, что преобразование частоты вносит дополнительные потери. В данном случае удалось достичь эффективности конверсии 57% — на сегодня это очень высокий показатель экспериментальной эффективности, пусть даже пока что достижимый только в лабораторных условиях. Выигрыш от перевода в более эффективную частотную область перекрыл потери от дополнительного узла: качество переданной по 33-километровому кабелю информации удалось сохранить с высокой точностью, а это — основное условие квантового связывания двух систем.
Такое преобразование позволило фотону выдержать путь вдоль кабеля, до захвата приёмным устройством на конце. В момент захвата выполнялась совместная регистрация двух фотонов, в свою очередь «запутывающая» их. Но каждый фотон уже был спутан с соответствующим испустившим его атомом рубидия, соответственно удалось добиться спутанного состояния двух исходных атомов на разных концах трассы.
Значимость результата в том, что удалось связать квантовой запутанностью два стационарных атома. Это значительно сложнее технически, чем связать два фотона (эксперименты с квантовой запутанностью фотонов — гораздо более многочисленны и успешны, и такое явление — уже почти общее место в современной фотонике; см., например, эту и подобные статьи). Спутанные атомы могут работать как ячейка «квантовой памяти» в гипотетической сети передачи данных. Квантовую запутанность удалось получить на пути обычного оптоволоконного кабеля — стандартного средства передачи данных в современных сетях. Значит, подобные «квантовые передатчики» в принципе можно реализовать, используя уже существующую инфраструктуру телекомов.