Вступ: Виклики та проблеми квантового Інтернету
Квантові комунікації обіцяють абсолютну безпеку передачі даних та можливість об'єднання квантових комп'ютерів у єдину мережу. Проте передача квантових станів (кубітів) на великі відстані стикається з проблемою втрат у каналах зв'язку. На відміну від класичних сигналів, квантові стани не можна просто підсилити (теорема про заборону клонування). Рішенням є створення квантових повторювачів (quantum repeaters), які використовують протокол квантової телепортації для передачі інформації.
Ключовим елементом таких мереж є джерела поодиноких та заплутаних фотонів. Напівпровідникові квантові точки (Quantum Dots – QD) вважаються ідеальними кандидатами завдяки їхній високій яскравості та детермінованості. Однак досі існувала фундаментальна перешкода: кожна квантова точка є унікальною. Різниця у розмірах та хімічному складі призводить до того, що фотони від двох різних точок є розрізнені (мають різну частоту, форму хвильового пакету тощо). А для успішної телепортації необхідна інтерференція двох абсолютно ідентичних (нерозрізнених) фотонів.
У цій роботі міжнародна колаборація вчених вперше продемонструвала квантову телепортацію між двома несхожими квантовими точками в умовах реальної міської мережі, що поєднує оптоволокно та атмосферний канал. Для подолання "індивідуальності" квантових точок автори застосували комплексний підхід, що поєднує нанофотоніку та прецизійне керування матеріалами.
Нанофотонні резонатори та стирання тонкої структури (FSS Erasure)
Квантові точки GaAs, вирощені методом крапельного травлення, були інтегровані в резонатори типу «бичаче око» (Circular Bragg Resonators – CBR). Ця структура працює як високоефективна антена, спрямовуючи випромінювання точно в оптичне волокно. Це дозволило досягти ефективності збору поодиноких фотонів до 85% та заплутаних пар до 65%.
Однією з головних проблем квантових точок є анізотропія, яка призводить до розщеплення енергетичних рівнів екситона (Fine Structure Splitting – FSS). Це руйнує заплутаність фотонних пар. Автори розмістили резонатори CBR на п'єзоелектричних актуаторах з матеріалу PMN-PT. Докладаючи механічну деформацію (стрейн) у різних напрямках, вони змогли компенсувати анізотропію та знизити FSS до рекордного рівня 0,3 ± 0,2 мкЕв, що фактично "стирає" інформацію про шлях та відновлює високу ступінь заплутаності.
Спектральне узгодження та архітектура експерименту та мережі
Для того, щоб фотони від двох різних точок (QD1 та QD2) стали спектрально нерозрізненими, використовувалося зовнішнє магнітне поле. Завдяки ефекту Зеемана та діамагнітному зсуву вдалося точно налаштувати довжину хвилі випромінювання QD1 так, щоб вона збігалася з QD2.
Експеримент проводився на базі кампусу Римського університету ла Сап’єнца і включав три вузли, рис.1:
- Вузол 1 (Alice): Містив джерело QD1, яке генерувало поодинокі фотони (X1) з закодованим у поляризації станом, що підлягав телепортації.
- Вузол 2 (Bob): Містив джерело QD2, яке генерувало пару заплутаних фотонів (біекситон XX2 та екситон X2). Тут також відбувалося вимірювання стану Белла (Bell State Measurement – BSM).
- Вузол 3 (Charlie): Приймальний вузол, розташований в іншій будівлі (Fermi Building), куди телепортований фотон (XX2) передавався через 270-метровий атмосферний канал (Free-space link).
Рисунок 1 – Схема експерименту. (a) Логічна схема протоколу. Фотони від QD1 (X1) та QD2 (X2) зустрічаються на дільнику променя у Вузлі 2. Їхня двофотонна інтерференція (BSM) призводить до того, що стан фотона X1 миттєво переноситься на заплутаний партнер фотона X2 – фотон XX2. (b) Фізична реалізація. Вузол 1 і 2 з'єднані оптоволокном. Вузол 3 з'єднаний через атмосферу. Для роботи системи в умовах міста використовувалася GPS-синхронізація годинників та активна система стабілізації променя (Fast Steering Mirrors) для компенсації турбулентності повітря.
Результати: Перемога над класичною межею
Головним критерієм успіху телепортації є фідельність (fidelity) – міра того, наскільки телепортований стан збігається з вихідним. Класична межа, яку можна досягти без використання квантових ефектів, становить 66,7%.
У даному експерименті було досягнуто фідельність 82 ± 1%, що перевищує класичну межу на понад 10 стандартних відхилень. Це однозначно підтверджує квантову природу процесу передачі інформації. На рисунку 2 (у статті) показано детальну будову пристрою: квантова точка в центрі концентричних кілець резонатора CBR, змонтована на п'єзоелектричній підкладці. Графіки демонструють процес "стирання" FSS під дією напруги: дві спектральні лінії зливаються в одну, що є умовою генерації заплутаності. Також показано томографію квантового стану, яка підтверджує фідельність заплутаної пари на рівні 94%.
Рисунок 2 – Квантова інженерія джерел випромінювання. (a) QD2 у CBR на PMN‑PT для прикладання керованої деформації; (b) крива strain‑tuning, що демонструє стирання FSS; (c) (реальна частина) матриці густини двофотонного стану при FSS = 0.3 ± 0.2 μeV; (d) схема QD1 у магніто-кріостаті; (e) діамагнітний зсув і зеєманівське розщеплення, що забезпечують спектральне перекриття при B ≈ 0.9 T; (f) HOM‑видимість як функція вікна збігів Δτ.
На рисунку 3 наведено ключові результати телепортації: модель залежності фідельності від параметрів джерел та експериментальні матриці процесної томографії, які підтверджують коректність реалізації протоколу.
Рисунок 3 – Результати телепортації. (a) Теоретична карта залежності якості телепортації від параметрів джерел. Вона показує, що навіть при неідеальній інтерференції (HOM visibility ~60%, обмежена часовою роздільною здатністю детекторів), висока якість заплутаності джерела QD2 дозволяє отримати фідельність телепортації вище 80%. (b) Експериментальні матриці процесу (Process Tomography). Вони візуалізують перетворення, якого зазнає кубіт під час телепортації. Висока схожість з ідеальною одиничною матрицею свідчить про точність роботи протоколу 1.
Варто відзначити, що для досягнення таких результатів авторам довелося застосувати часову селекцію подій (time gating) з вікном близько 30 пс. Це дозволило відфільтрувати випадки, коли фотони від різних джерел не перекривалися у часі, що підвищило якість інтерференції ціною зниження швидкості передачі даних (до ~0,1 Гц корисних подій). Проте, навіть з більш широким вікном (200 пс), фідельність залишалася вищою за класичну межу, забезпечуючи вищу швидкість.
Висновок
Ця робота вперше демонструє, що гетерогенні квантові вузли на основі твердотільних джерел одиночних фотонів (квантових точок у напівпровіднику) можна об’єднати в єдину квантову мережу. Використання гібридного каналу зв’язку (оптоволокно + атмосферна ділянка) показує практичний шлях до розгортання захищених квантових мереж у великих містах, де прокладання нових кабельних ліній є проблематичним.
Alessandro Laneve, Giuseppe Ronco, Mattia Beccaceci, Paolo Barigelli, Francesco Salusti, Nicolas Claro-Rodriguez , Giorgio De Pascalis, Alessia Suprano, Leone Chiaudano, Eva Schöll, Lukas Hanschke, Tobias M. Krieger, Quirin Buchinger, Saimon F. Covre da Silva, Julia Neuwirth, Sandra Stroj, Sven Höfling, Tobias Huber-Loyola, Mario A. Usuga Castaneda, Gonzalo Carvacho, Nicolò Spagnolo, Michele B. Rota, Francesco Basso Basset, Armando Rastelli, Fabio Sciarrino, Klaus D. Jöns & Rinaldo Trotta.
Nature Communications, (2025) 16:10028
