Світло може передавати квантову інформацію до 50 разів швидше завдяки часовому лінзуванню, яке використовують фізики Варшавського університету в перетворювачі, що змінює характеристики фотонів. Ця технологія може сприяти створенню в найближчому майбутньому надшвидких квантових інтернет-зв'язків, повідомляють в університеті.
Як пояснює д-р Міхал Карпінський, керівник лабораторії квантової фотоніки на фізичному факультеті Варшавського університету, на сайті університету, світло забезпечує високошвидкісну передачу даних через волоконно-оптичні телекомунікаційні мережі. Цю здатність передавати інформацію можна поширити і на передачу квантової інформації, кодуючи її в окремих частинках світла – фотонах.
"Для того, щоб фотони могли ефективно завантажуватися в пристрої, які обробляють квантову інформацію, вони повинні мати певні властивості: відповідну центральну довжину хвилі, або частоту, відповідну тривалість і спектр, або спектр частот", – перераховує співавтор статті, опублікованої в журналі Nature Photonics.
Прототипи квантових комп'ютерів, які розробляють дослідники з усього світу, створюються з використанням різноманітних технологій – захоплених іонів, квантових точок, надпровідних електричних ланцюгів або надхолодних атомних хмар. Ці квантові платформи обробки інформації працюють у різних часових масштабах: від пікосекунд до наносекунд і мікросекунд. Для того, щоб об'єднати такі пристрої у квантову мережу, потрібен пристрій для зміни характеристик переданих квантових імпульсів світла – окремих фотонів.
Дослідники представили в журналі Nature Photonics перетворювач, який дозволяє змінювати тривалість імпульсу до 200 разів з ефективністю 25 відсотків. Доктор Карпінський стверджує, що отриманий в результаті квантовий інтернет-зв'язок може працювати до 50 разів швидше. Ключовим елементом технології, розробленої в УВ, є так звана лінза часу.
"Класична просторова лінза змінює розмір світлового променя, фокусуючи його або розсіюючи. Фокусування світлового променя досягається за допомогою опуклої лінзи, де товщина скла зменшується в міру віддалення від її центру. За подібним принципом лінза часу здатна вкорочувати або подовжувати світлові імпульси, причому тут ефективна оптична товщина скла змінюється в часі, а не в просторі", – пояснює д-р Філіп Сосніцкі з Лабораторії квантової фотоніки, який був відповідальним за розробку експерименту. "Для того, щоб сфокусувати широкий пучок світла, лінза повинна бути досить великою, що, в свою чергу, робить її дуже опуклою, значно збільшуючи кількість, а отже, і вагу скла, необхідного для її виготовлення. Замість цього ми можемо використовувати лінзу Френеля, відому ще з 19 століття, специфічна форма якої дозволяє зменшити товщину такої лінзи до кількох міліметрів або навіть менше. В рамках нашого дослідження ми створили часовий еквівалент саме такої лінзи Френеля", – розповідає д-р Сосніцкі. Лінзи Френеля використовуються у фарах, маяках, залізничних сигналах та камерах мобільних телефонів, серед іншого.
Дослідники використовували електрооптичний ефект. Він дозволяє змінювати показник заломлення кристала (в даному випадку ніобату літію) в залежності від зовнішнього електричного поля, прикладеного до нього. Використовуючи швидкі електричні сигнали, можна досягти змінної в часі оптичної товщини кристала, необхідної для створення лінзи часу. Однак занадто сильне електричне поле може зруйнувати кристал. "У розробленій нами методиці ми збільшуємо показник заломлення поетапно, як у просторовій лінзі Френеля. Таким чином, ми отримуємо сильний ефект, не руйнуючи кристал. Це дозволяє набагато більше модифікувати квантові імпульси світла", – пояснює д-р Карпінський. Такі "поетапні" операції вимагають використання надшвидкої мікрохвильової електроніки. Доктор Філіп Сосніцкі порівнює, що мережі 5G або високошвидкісний Wi-Fi працюють на частотах від 3 до 5 ГГц – тоді як сигнали вчених UW більш ніж у сім разів швидші, з частотами до 35 ГГц.
Фізики мають намір протестувати перетворення фотонів між різними типами платформ і збільшити відстань передачі фотонів. "Досі ми передавали їх між пристроями в одній лабораторії, але тепер спробуємо здійснити таку передачу між різними будівлями і навіть містами", – каже д-р Міхал Карпінський.
Робота, проведена групою фізиків, є важливим кроком на шляху до створення квантових мереж. Невеликі мережі можуть утворювати єдиний квантовий комп'ютер. Великі мережі утворять квантовий інтернет і дозволять набагато безпечніше, ніж зараз, передавати дані між квантовими комп'ютерами в різних частинах світу.
В університеті нагадали, що вже у 2016 році дослідники з фізичного факультету УВ у міжнародній співпраці представили прототип перетворювача на сторінках журналу Nature Photonics. Пристрій дозволяв змінювати тривалість оптичного імпульсу в шість разів, з ефективністю понад 30 відсотків. Техніка, яка використовувалася в той час, проста електрооптична модуляція, мала обмеження і дозволяла зменшити тривалість імпульсу в десять разів.
