Свет может передавать квантовую информацию до 50 раз быстрее благодаря временной линзе, которую используют физики Варшавского университета в преобразователе, изменяющем характеристики фотонов. Эта технология может способствовать созданию в ближайшем будущем сверхбыстрых квантовых интернет-связей, сообщают в университете.
Как объясняет д-р Михал Карпинский, руководитель лаборатории квантовой фотоники на физическом факультете Варшавского университета, на сайте университета, свет обеспечивает высокоскоростную передачу данных через волоконно-оптические телекоммуникационные сети. Эту способность передавать информацию можно распространить и на передачу квантовой информации, кодируя ее в отдельных частицах света – фотонах.
"Для того, чтобы фотоны могли эффективно загружаться в устройства, которые обрабатывают квантовую информацию, они должны иметь определенные свойства: соответствующую центральную длину волны, или частоту, соответствующую продолжительность и спектр, или спектр частот", – перечисляет соавтор статьи, опубликованной в журнале Nature Photonics.
Прототипы квантовых компьютеров, которые разрабатывают исследователи со всего мира, создаются с использованием разнообразных технологий – захваченных ионов, квантовых точек, сверхпроводящих электрических цепей или сверххолодных атомных облаков. Эти квантовые платформы обработки информации работают в различных временных масштабах: от пикосекунд до наносекунд и микросекунд. Для того, чтобы объединить такие устройства в квантовую сеть, требуется устройство для изменения характеристик передаваемых квантовых импульсов света – отдельных фотонов.
Исследователи представили в журнале Nature Photonics преобразователь, который позволяет изменять длительность импульса до 200 раз с эффективностью 25 процентов. Доктор Карпинский утверждает, что полученная в результате квантовая интернет-связь может работать до 50 раз быстрее. Ключевым элементом технологии, разработанной в УВ, является так называемая линза времени.
"Классическая пространственная линза изменяет размер светового луча, фокусируя его или рассеивая. Фокусировка светового луча достигается с помощью выпуклой линзы, где толщина стекла уменьшается по мере удаления от ее центра. По подобному принципу линза времени способна укорачивать или удлинять световые импульсы, причем здесь эффективная оптическая толщина стекла изменяется во времени, а не в пространстве", – объясняет д-р Филипп Сосницки из Лаборатории квантовой фотоники, который был ответственным за разработку эксперимента. "Для того, чтобы сфокусировать широкий пучок света, линза должна быть достаточно большой, что, в свою очередь, делает ее очень выпуклой, значительно увеличивая количество, а следовательно, и вес стекла, необходимого для ее изготовления. Вместо этого мы можем использовать линзу Френеля, известную еще с 19 века, специфическая форма которой позволяет уменьшить толщину такой линзы до нескольких миллиметров или даже меньше. В рамках нашего исследования мы создали временной эквивалент именно такой линзы Френеля", – рассказывает д-р Сосницки. Линзы Френеля используются в фарах, маяках, железнодорожных сигналах и камерах мобильных телефонов, среди прочего.
Исследователи использовали электрооптический эффект. Он позволяет изменять показатель преломления кристалла (в данном случае ниобата лития) в зависимости от внешнего электрического поля, приложенного к нему. Используя быстрые электрические сигналы, можно достичь изменяющейся во времени оптической толщины кристалла, необходимой для создания линзы времени. Однако слишком сильное электрическое поле может разрушить кристалл. "В разработанной нами методике мы увеличиваем показатель преломления поэтапно, как в пространственной линзе Френеля. Таким образом, мы получаем сильный эффект, не разрушая кристалл. Это позволяет гораздо больше модифицировать квантовые импульсы света", – объясняет д-р Карпинский. Такие "поэтапные" операции требуют использования сверхбыстрой микроволновой электроники. Доктор Филипп Сосницки сравнивает, что сети 5G или высокоскоростной Wi-Fi работают на частотах от 3 до 5 ГГц – тогда как сигналы ученых UW более чем в семь раз быстрее, с частотами до 35 ГГц.
Физики намерены протестировать преобразование фотонов между различными типами платформ и увеличить расстояние передачи фотонов. "До сих пор мы передавали их между устройствами в одной лаборатории, но теперь попробуем осуществить такую передачу между различными зданиями и даже городами", – говорит д-р Михал Карпински.
Работа, проведенная группой физиков, является важным шагом на пути к созданию квантовых сетей. Небольшие сети могут образовывать единый квантовый компьютер. Большие сети образуют квантовый интернет и позволят гораздо безопаснее, чем сейчас, передавать данные между квантовыми компьютерами в разных частях света.
В университете напомнили, что уже в 2016 году исследователи с физического факультета УВ в международном сотрудничестве представили прототип преобразователя на страницах журнала Nature Photonics. Устройство позволяло изменять продолжительность оптического импульса в шесть раз, с эффективностью более 30 процентов. Техника, которая использовалась в то время, простая электрооптическая модуляция, имела ограничения и позволяла уменьшить длительность импульса в десять раз.
