Физики впервые запутали атомы на разных сторонах улицы

Новый опыт по созданию состояния квантовой сцепленности для необычайно удалённых атомов открывает дорогу к построению крупномасштабных и разветвлённых сетей, защищённых от прослушивания принципами квантовой криптографии.

Единичные атомы могут выступать в роли узлов закрытой сети, в которой квантовые ключи передаются при помощи отдельных фотонов (иллюстрация Andreas Neuzner, MPQ).

Квантовая криптография использует в своих интересах тот факт, что состояние частицы невозможно узнать, не разрушив его. Приготавливая частицы (в частности фотоны) в состоянии квантовой запутанности и отправляя одну из них адресату, можно таким методом передавать ключи для расшифровки секретных сообщений.

Однако если речь идёт о создании не просто канала между двумя фиксированными абонентами, а о построении сети, подобной компьютерной, то возникает проблема узлов. В них квантовая информация должна быть расшифрована и вновь регенерирована для отправки дальше. Это место становится точкой уязвимости.

Но её можно избежать, если на всём протяжении передавать информацию только в квантовом виде. Для такой технологии нужны квантовые узлы, состоящие из запутанных между собой атомов, поглощающих и излучающих фотоны.

Теперь учёные из института квантовой оптики Макса Планка проделали именно такой трюк, запутав два атома, расположенных в двух лабораториях на разных сторонах улицы.

В предполагаемой квантовой сети будущего множество изолированных в ловушках атомов соединены между собой так называемыми однофотонными каналами (вверху). Чтобы разобраться с работой такой системы, физики построили её фрагмент – два узла (Node A, B) и связь между ними (внизу) (иллюстрация Stephan Ritter et al./ Nature).

По информации Science, каждый атом находился между двух зеркал, разделённых расстоянием в 0,5 мм. Они образовывали оптический резонатор, позволяющий атомам и фотонам эффективно взаимодействовать между собой.

Состояние запутанности достигалось, когда при помощи дополнительного лазера физики заставляли первый атом выпустить единичный фотон, который добирался до второго атома в другом резонаторе по 60-метровому оптическому кабелю (расстояние между двумя лабораториями при этом составляло 21 метр).

В серии опытов учёные показали, что изолированные в своих оптических ловушках единичные атомы могут выступать в роли идеальных хранителей и передатчиков квантовой информации, которые передают друг другу квантовые ключи за счёт обмена единичными фотонами. По словам исследователей, запутанность в принципе может быть продлена до третьего атома, что делает систему масштабируемой. (Все подробности эксперимента изложены в Nature.)