Компьютеры, смартфоны, GPS: квантовая физика сделала возможным множество технологических достижений. В настоящее время он открывает новые области исследований в области криптографии (искусство кодирования сообщений) с целью разработки сверхзащищенных телекоммуникационных сетей. Однако есть одно препятствие: через несколько сотен километров внутри оптического волокна фотоны, несущие кубиты или «квантовые биты» (информацию), исчезают. Поэтому им нужны «повторители», своего рода «ретрансляторы», частично основанные на квантовой памяти. Сумев хранить кубит в кристалле («памяти») в течение 20 миллисекунд, команда из Женевского университета (UNIGE) установила мировой рекорд и сделала важный шаг на пути к развитию квантовых телекоммуникационных сетей дальнего действия..
Квантовая физика , разработанная в 20 веке, позволила ученым описать поведение атомов и частиц, а также некоторые свойства электромагнитного излучения. Порвав с классической физикой , эти теории произвели настоящую революцию и ввели понятия, не имеющие эквивалента в макроскопическом мире, такие как суперпозиция, которая описывает возможность для частицы находиться в нескольких местах одновременно, или запутанность, которая описывает способность двух частиц мгновенно воздействовать друг на друга даже на расстоянии («жуткие действия на расстоянии»).
Квантовые теории сейчас лежат в основе многих исследований в области криптографии — дисциплины, объединяющей методы кодирования сообщений. Квантовые теории позволяют гарантировать полную достоверность и конфиденциальность информации (кубита), когда она передается между двумя собеседниками частицей света (фотоном) по оптическому волокну . Явление суперпозиции позволяет отправителю немедленно узнать, был ли перехвачен фотон, передающий сообщение.
Запоминание сигнала
Однако существует серьезное препятствие для развития квантовых телекоммуникационных систем дальнего действия: за пределами нескольких сотен километров фотоны теряются, а сигнал исчезает. Поскольку сигнал нельзя скопировать или усилить — он потерял бы квантовое состояние , гарантирующее его конфиденциальность, — задача состоит в том, чтобы найти способ его повторения без изменения путем создания «повторителей», основанных, в частности, на квантовой памяти.
В 2015 году группе под руководством Микаэля Афцелиуса, старшего преподавателя кафедры прикладной физики факультета естественных наук Женевского университета (UNIGE), удалось сохранить кубит, переносимый фотоном, в течение 0,5 миллисекунды в кристалле (т. «Память»). Этот процесс позволил фотону передать свое квантовое состояние атомам кристалла перед исчезновением. Однако это явление длилось недостаточно долго, чтобы позволить построить более крупную сеть воспоминаний, что является предпосылкой для развития квантовых телекоммуникаций на большие расстояния.
Запись хранения
Сегодня в рамках программы European Quantum Flagship команде Микаэля Афцелиуса удалось значительно увеличить эту продолжительность за счет хранения кубита в течение 20 миллисекунд. «Это мировой рекорд для квантовой памяти на основе твердотельной системы, в данном случае кристалла. Нам даже удалось достичь отметки в 100 миллисекунд с небольшой потерей точности», — восторгается исследователь. Как и в своей предыдущей работе, ученые UNIGE использовали кристаллы, легированные определенными металлами, называемыми « редкими землями » (в данном случае европием), способными поглощать свет, а затем повторно излучать его. Эти кристаллы хранились при температуре -273,15°С (абсолютный нуль), поскольку при превышении этой температуры на 10°С термическое возбуждение кристалла разрушает запутанность атомов.
«Мы приложили к кристаллу небольшое магнитное поле в одну тысячную Тесла и использовали методы динамической развязки, которые заключаются в том, чтобы послать кристаллу интенсивные радиочастоты. Эффект этих методов заключается в том, чтобы отделить редкоземельные ионы от возмущений поля. среду и увеличить производительность системы хранения, которую мы знали до сих пор, почти в 40 раз», — объясняет Антонио Орту, научный сотрудник с докторской степенью в Департаменте прикладной физики UNIGE. Результаты этого исследования представляют собой большой шаг вперед в развитии квантовых телекоммуникационных сетей дальнего действия. Они также доводят хранение квантового состояния, переносимого фотоном, до шкалы времени, которую могут оценить люди.
Эффективная система через 10 лет
Тем не менее, есть еще несколько проблем, которые необходимо решить. «Сейчас задача состоит в том, чтобы еще больше продлить время хранения. Теоретически было бы достаточно увеличить продолжительность воздействия на кристалл радиочастот, но пока технические препятствия для их реализации в течение более длительного периода времени не позволяют нам не превысить 100 миллисекунд. Тем не менее, очевидно, что эти технические трудности могут быть решены», — говорит Микаэль Афцелиус.
Ученым также придется найти способы создания памяти, способной хранить более одного фотона за раз и, таким образом, иметь «запутанные» фотоны, которые гарантируют конфиденциальность. «Цель состоит в том, чтобы разработать систему, которая хорошо работает по всем этим пунктам и которую можно будет продавать в течение десяти лет», — заключает исследователь.
