Проблему квантовых повторителей могут решить алмазы

Ученые-физики смогли создать квантовый повторитель, используя в его основе спины в алмазном резонаторе. Возможности повторителя не оставляют сомнений — он способен выполнить квантовое распределение шифровального ключа.

При помощи квантовой криптографии можно защитить данные от компьютеров любой мощности. Но в технологии есть ряд неразрешенных проблем — в их числе ограничение в расстоянии, на которое можно передавать сигнал. Фотоны, передающиеся по оптоволокну, не могут долго там находится, поэтому передача сигнала на несколько сотен километров — пока максимум.

Для этого специалисты и работают над квантовыми повторителями, которые способны хранить исходный код и усиливают сигнал при квантовом распределении ключа. Классический повторитель использовать нельзя, иначе потеряется весь смысл квантовой криптографии— информация будет храниться в обычном виде.

Проблема безопасности квантовой коммуникации может быть решена при помощи квантового повторителя из дефектных алмазов

В журнале Nature опубликована работа группы ученых под руководством сооснователя Российского квантового центра, профессора Михаила Лукина. Вместе с ним разработкой занимались физики из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. Учёным удалось создать систему, которая способна выступить в качестве квантового повторителя.

Ученые рассматривали протокол квантового распределения ключа, в котором участвовали два пользователя, Алиса и Боб, а третья сторона, которая является системой с определенной памятью для хранения исходных данных, ключ в результате не получает. При этом она предоставляет Алисе и Бобу данные о квантовом состоянии, которые нужны для распределения ключа. Для этого система осуществляет белловское измерение состояний, закодированных в фотоны, которые отправляют Алиса и Боб, а итог сообщает по открытому каналу. В результате, эти данные вместе с теми, которыми владеют только Алиса и Боб, образуют битовую строку, а она используется в качестве ключа. Важно, чтобы информация, отправляемая Алисой и Бобом, доходила до третьей стороны одновременно, и до недавнего времени именно это являлось неразрешимой задачей.

Узел квантовой памяти, который может использоваться в роли квантового повторителя. Изображение: Bhaskar, M.K., et al.— Nature.

Группа физиков под руководством Лукина использовала в качестве узла памяти кремниевые дефектные центры, находящиеся в алмазном резонаторе. Таким образом, данные (фотоны), которые приходят от Алисы и Боба, вступают во взаимодействие со спинами в алмазе и при охлаждении до абсолютного нуля сохраняют свое состояние на длительное время — примерно на 0,2 миллисекунды. Авторы работы при помощи неравенств Белла удостоверились, что распределение ключа является квантовым.

Следующий этап работы ученых — сделать систему более эффективной, используя ядра изотопа углерода. Также физики планируют масштабировать квантовую сеть, применяя созданный квантовый повторитель.

В будущем такие повторители можно использовать для развития крупных квантовых сетей, в том числе квантового интернета.