Китайские физики установили рекорд квантовой запутанности на расстоянии 420 километров

Группа физиков из Университета науки и технологий Китая под руководством Си-Юя Ло, Чао-Яна Вана и Мин-Яна Чжэна установила новый мировой рекорд дальности квантовой запутанности между двумя материальными объектами. Исследователям удалось связать две квантовые памяти на расстоянии 420 километров по оптоволоконному кабелю. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Квантовая запутанность — одно из самых удивительных явлений в физике. Две частицы, однажды вступившие во взаимодействие, остаются связанными даже на огромных расстояниях. Измерение состояния одной частицы мгновенно определяет состояние другой, независимо от того, сколько километров их разделяет. Эйнштейн называл это «жутким дальнодействием». Сегодня учёные пытаются использовать это явление для создания квантового интернета — сети, в которой информация будет передаваться с беспрецедентной скоростью и безопасностью.

Однако для создания такой сети нужны не только фотоны, переносящие квантовую информацию, но и устройства для её хранения — квантовая память. В новом эксперименте роль памяти выполняли лазерно охлаждённые облака атомов рубидия. Система состояла из двух блоков памяти, названных Алисой и Бобом. Их разделял 420-километровый оптоволоконный кабель. Посередине располагался узел Чарли, который принимал фотоны от Алисы и Боба. Если Чарли фиксировал нужную интерференционную картину, это означало, что между Алисой и Бобом установлена запутанность, хотя сами они никогда не встречались физически.

Успех эксперимента стал возможен благодаря трём ключевым техническим решениям. Во-первых, учёные преобразовали излучаемые квантовой памятью фотоны в длины волн, используемые в телекоммуникациях. Это позволило снизить потери сигнала при передаче по оптоволокну. Во-вторых, они разработали систему стабилизации, которая непрерывно компенсирует температурные колебания и вибрации. Любое, даже ничтожное, смещение могло бы нарушить квантовую интерференцию и сделать эксперимент невозможным. В-третьих, применили схему запутывания на основе одного фотона вместо двух, что снизило требования к сохранности сигнала на всём пути.

Начиная с расстояния свыше 320 километров, система достигла более высокой скорости успешной запутанности, чем позволял бы прямой перенос запутанности по тому же оптоволокну согласно так называемой границе PLOB — фундаментальному пределу передачи квантовой информации без повторителей. Это означает, что новый подход не просто работает, но и превосходит теоретические ограничения, существовавшие ранее.

Квантовый интернет — это не просто научная фантастика. Он может стать реальностью уже в ближайшие десятилетия. Такая сеть обеспечит абсолютно защищённую передачу данных: любая попытка перехвата информации изменит её квантовое состояние и станет немедленно заметна. Это может изменить банковское дело, государственную коммуникацию, научные исследования и многие другие сферы.

«Наш эксперимент даёт испытательный полигон для изучения приложений квантовых сетей за пределами масштаба одного города», — пишут авторы работы. И это важный шаг. 420 километров — это расстояние, сравнимое с протяжённостью крупных агломераций. Следующий шаг — масштабирование технологии на тысячи километров, что потребует создания квантовых повторителей, способных усиливать сигнал без разрушения запутанности.

Китайские физики сделали ещё один шаг к будущему, в котором квантовые сети соединят целые континенты. И хотя до глобального квантового интернета ещё далеко, каждый новый рекорд приближает этот момент. Вопрос уже не в том, сможем ли мы это сделать, а в том, когда это произойдёт.