Создан рабочий способ объединения квантовых компьютеров в одну сеть

Команда исследователей из Института Вальтера-Мейснера (WMI) и Мюнхенского технического университета (Германия) добилась важного прорыва в создании будущих квантовых сетей.

Почему это важно

Во всем мире инженеры пытаются построить крупномасштабные квантовые сети — системы, в которых квантовые компьютеры и устройства могут обмениваться информацией на расстоянии. В будущем такие сети могут стать основой квантового Интернета — сверхбыстрой и практически не поддающейся взлому системы связи. Основная трудность заключается в том, что квантовые микроволновые сигналы чрезвычайно чувствительны к нагреву и быстро теряют свои уникальные свойства.

До сих пор подобные эксперименты проводились только внутри мощных криогенных холодильников при температуре, близкой к абсолютному нулю. Новый подход немецких ученых позволяет существенно ослабить эти жесткие требования.

Новый подход к трансферу

Исследователи соединили два криостата (охлаждающих устройства) специальным сверхпроводящим кабелем. Этот кабель способен передавать сигнал практически без потерь даже при очень низких температурах. Благодаря этому им удалось сохранить квантовые свойства сигналов при −269 °C. Раньше для подобных экспериментов требовался гораздо более сильный холод.

«Мы продемонстрировали, что запутанные микроволновые сигналы могут распространяться, не теряя своих квантовых свойств, по относительно горячим микроволновым каналам при температуре всего 4 К», — сказал соавтор Вун К. Ям.

Как работает решение

Ученые использовали высококачественные сверхпроводящие кабели из ниобия и титана. Даже несмотря на наличие теплового шума (тепловых фотонов), низкие потери кабеля позволили ему сохранить квантовую запутанность — особое состояние, в котором две частицы остаются связанными, даже если они отделены друг от друга.

Команда также успешно осуществила квантовую телепортацию — процесс, при котором квантовое состояние передается с одного устройства на другое без физической отправки самого сигнала. Точность телепортации составила 72,3% при 1 Кельвине (-272,15 °С) и 59,9% при 4 Кельвине (-269,15 °С). Для сравнения: классический предел такой задачи — 50%.

«Нам удалось добиться распределения квантовой запутанности на микроволновых частотах в горячих каналах с температурой 4 Кельвина и использовать эти квантовые корреляции для квантовой телепортации», — отметил руководитель группы Кирилл Г. Федоров.

Перспективы квантовых сетей

Результаты показывают, что квантовые протоколы могут работать эффективнее классических даже в относительно «теплых» условиях. Это открывает путь к созданию масштабируемых квантовых сетей, где отдельные квантовые процессоры можно объединить в единую распределенную систему.

В будущем такая технология может быть использована не только для квантовых вычислений, но и для квантовой криптографии — методов, обеспечивающих принципиально более высокий уровень информационной безопасности.

Планы на будущее

Исследователи планируют продолжить свою работу и перейти к более гибким кабелям, охлаждаемым жидким гелием. В долгосрочной перспективе они надеются приблизиться к работе при еще более высоких температурах и даже к передаче квантовых сигналов в условиях, близких к комнатной.

«Основная задача — разработать криогенные технологические решения, совместимые с современными криостатами и обеспечивающие высокую точность передачи квантовых состояний», — подчеркнул Федоров.