Недавнее достижение в области квантовых технологий может проложить путь к глобальной квантовой сети, значительно расширяя дальность, на которой квантовые компьютеры могут взаимодействовать друг с другом. Ранее ограниченная расстоянием, квантовые компьютеры вскоре смогут соединяться через континенты благодаря новому методу создания ключевых компонентов.
Препятствие в виде расстояния в квантовой связи
Квантовые компьютеры обладают замечательными вычислительными возможностями и скоростью, но для эффективного использования этой мощности требуется надежная и взаимосвязанная сеть. В настоящее время серьезным препятствием является сложность соединения этих компьютеров на больших расстояниях. Максимальное расстояние для связи с помощью оптоволоконного кабеля ранее ограничивалось всего несколькими километрами. Чтобы проиллюстрировать это, даже при использовании оптоволоконных кабелей, квантовый компьютер на кампусе Южного района Университета Чикаго не мог установить соединение с компьютером, расположенным в небоскребе Уиллис Тауэр в центре Чикаго.
Увеличение дальности связи в 200 раз
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Communications ассистент-профессором Тянь Чжунгом из Притцкерской школы молекулярной инженерии Университета Чикаго (UChicago PME), предлагает решение этой ограниченности. Метод Чжунго теоретически увеличивает максимальное расстояние соединения до впечатляющих 2000 километров (1243 мили). Это изменение означает, что тот же квантовый компьютер Университета Чикаго, который ранее не мог связаться с небоскребом Уиллис Тауэр, теперь может соединиться и взаимодействовать с аналогичным компьютером в Солт-Лейк-Сити, штат Юта.
«Впервые технология для создания глобальной квантовой сети находится в пределах досягаемости», — сказал Чжунг, который недавно был удостоен престижной премии Штурджа за свою работу.
Наука, стоящая за прорывом
Соединение квантовых компьютеров включает в себя установление квантовой запутанности между атомами, передаваемыми по оптоволоконному кабелю. Чем дольше эти запутанные атомы сохраняют квантовую когерентность — по сути, их способность удерживать квантовое состояние — тем больше расстояние между компьютерами, которые могут быть связаны.
Чжунг и его команда значительно увеличили времена квантовой когерентности, улучшив производство атомов эрбия, важнейшего элемента для создания запутанности. Они увеличили времена когерентности с 0,1 миллисекунды до более чем 10 миллисекунд, а в одном случае до 24 миллисекунды. Это улучшение теоретически позволит квантовым компьютерам соединяться на расстоянии 4000 километров — примерно на расстоянии от UChicago PME до Окана, Колумбия.
Не новые материалы, а новый метод
Инновация заключалась не в новых материалах, а в том, как эти материалы изготавливаются. Исследователи использовали технику, называемую молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE) вместо традиционного метода Чокральского для создания кристаллов, легированных редкоземельными элементами, необходимых для квантовой запутанности.
Чжунг объяснил, что метод Чокральского похож на «плавильный котел», где ингредиенты смешиваются и плавятся при чрезвычайно высокой температуре (более 2000 градусов Цельсия), прежде чем медленно остывают для формирования кристалла. Эти кристаллы затем «вырезаются» химическим путем для создания компонентов компьютера. Напротив, MBE больше похожа на 3D-печать, строя кристалл слой за слоем.
«Мы начинаем с ничего и затем собираем это устройство атом за атомом», — сказал Чжунг. «Качество или чистота этого материала настолько высока, что квантовые свойства когерентности этих атомов становятся превосходными.»
Адаптация существующих техник
Хотя MBE является известной техникой, она никогда не применялась для создания этого конкретного типа кристаллов, легированных редкоземельными элементами. Чжунг и его команда сотрудничали с ассистент-профессором Шуолоном Янгом из UChicago PME, экспертом в области синтеза материалов, чтобы адаптировать MBE для этой цели.
Подтверждение экспертов
Это достижение получило признание ведущих экспертов в этой области. «Подход, продемонстрированный в этой статье, является весьма инновационным», — заявил профессор доктор Хуго де Ридматтен из Института фотоники. «Он показывает, что подход «снизу вверх», хорошо контролируемая нанофабрикация могут привести к реализации отдельных ионов редкоземельных элементов с превосходными оптическими и спиновыми свойствами когерентности.»
Что дальше?
Чжунг и его команда сейчас сосредоточены на проверке того, позволяют ли увеличенные времена когерентности установить фактические соединения на больших расстояниях. Следующий шаг включает в себя соединение двух кубитов — каждый из которых находится в отдельных криостатах в лаборатории Чжунга — с помощью 1000 километров смотанного кабеля. Это первоначальное испытание, хотя и не конечный шаг, будет иметь решающее значение для подтверждения технологии и приближения к реализации видения глобальной квантовой сети.
Этот прорыв представляет собой значительный шаг на пути к будущему, когда квантовые компьютеры смогут беспрепятственно соединяться, открывая беспрецедентную вычислительную мощность и стимулируя инновации во многих областях.
