У роботі розглянуто побудову глобальної квантової фотонної мережі, у якій заплутаність може гнучко розподілятися між вісьмома користувачами. Запропонована схема поєднує дві локальні чотирикористувацькі мережі та забезпечує не лише перенаправлення заплутаних станів між різними парами користувачів, а й обмін заплутаністю між віддаленими вузлами.
Ключовим елементом системи є програмований багатопортовий пристрій розмірності 8×8, реалізований не на традиційній інтегральній фотонній схемі, а на основі багатомодового оптичного волокна. Усередині такого волокна світло природно перемішується між великою кількістю мод, а керування виконується за допомогою кількох фазових площин. Це дало змогу реалізувати високовимірні операції над двома незалежними фотонами без складної багатошарової планарної структури.
Практичний зміст роботи полягає в демонстрації трьох режимів реконфігурації мережі: локального розподілу заплутаності в межах двох окремих мереж, глобального з'єднання користувачів з різних мереж та змішаного локально-глобального режиму. Додатково показано можливість одночасного обміну заплутаністю між двома парами віддалених користувачів.
Основою мережі є дві незалежні локальні підсистеми з власними джерелами заплутаних фотонів. У кожній із них заплутаність розподіляється між двома парами користувачів. Далі обидві локальні мережі підключаються до спільного програмованого багатопортового вузла, який визначає, які саме пари користувачів будуть пов'язані між собою в даний момент.
Такий підхід важливий для майбутніх квантових мереж, оскільки реальна інфраструктура потребує не фіксованих з'єднань, а можливості швидко змінювати конфігурацію зв'язків. Саме тому в роботі акцент зроблено не лише на передачі заплутаності, а й на реконфігурованості та мультиплексуванні, коли в межах однієї фізичної системи одночасно працює кілька каналів розподілу квантових станів.
На рисунку 1 показано загальну архітектуру великомасштабної реконфігурованої мультиплексованої квантової фотонної мережі. У схемі дві локальні підмережі по чотири користувачі в кожній об’єднуються в одну глобальну восьмикористувацьку мережу. Джерела S1 і S2 формують заплутані фотонні пари, які розподіляються між користувачами в межах локальних підмереж, а програмований багатопортовий вузол забезпечує зміну структури зв’язків між ними. Завдяки цьому одна й та сама фізична система може реалізовувати різні конфігурації мережі без перебудови всієї установки.
На рисунку 1, b показано центральний елемент мережі - програмований багатопортовий пристрій розмірності 8×8. Його основу становить багатомодове волокно, в якому відбувається складне модове перемішування, а фазові площини до і після волокна забезпечують формування потрібного перетворення для двох незалежних фотонів. У фізичному сенсі цей вузол виконує роль універсального комутатора і перетворювача квантових станів у просторових модах.
На рисунку 1, c-f наведено кілька можливих конфігурацій мережі, які реалізуються шляхом перепрограмування багатопортового вузла. Зокрема, показано режим локальної зв’язності, коли заплутаність розподіляється всередині кожної підмережі, режим глобальної зв’язності між користувачами з різних підмереж, змішану локально-глобальну конфігурацію, а також режим великомасштабної зв’язності через обмін заплутаністю між віддаленими парами користувачів. Отже, рисунок 1 задає не лише конструкцію установки, а й логіку функціонування всієї квантової мережі.
Рисунок 1 - Архітектура глобальної мультиплексованої квантової мережі. (а) Дві локальні чотирикористувацькі підмережі формують глобальну восьмикористувацьку мережу. (b) Програмований багатопортовий вузол 8×8 на основі багатомодового волокна і фазових площин. (c-f) Різні конфігурації розподілу заплутаності: локальна, глобальна, змішана та великомасштабна через обмін заплутаністю.
На рисунку 2 детально показано будову програмованого багатопортового вузла, який є ключовим елементом усієї мережі. Пристрій реалізовано за топологією «фазові площини - багатомодове волокно - фазові площини». Багатомодове волокно виступає середовищем складного унітарного змішування просторових мод, тоді як чотири фазові площини задають необхідне перетворення на вході та виході. У результаті формується програмований багатовимірний оптичний вузол, здатний працювати одночасно з двома незалежними каналами.
Важливо, що схема працює з вісьмома просторовими модами, які розподілені між двома каналами. На вході використовуються макропіксельні моди, а на виході - сфокусовані гаусові плями на торці волокна. Це означає, що пристрій не просто передає фотони між входами й виходами, а виконує кероване просторове перетворення їхніх модових станів. Саме завдяки цьому стає можливим як маршрутизація заплутаності між користувачами, так і реалізація операцій інтерференції, потрібних для обміну заплутаністю.
На цьому рисунку також показано приклад конкретного режиму роботи багатопортового вузла - одночасне виконання двох вимірювань станів Белла в паралельних каналах. У такому режимі пристрій реалізує мультиплексований протокол обміну заплутаністю. Отже, рисунок 2 ілюструє не лише конструкцію елемента, а й пояснює, як саме в одній фізичній системі поєднуються програмованість, багатоканальність і багатовимірне керування квантовими станами.
Рисунок 2 - Програмований багатопортовий вузол 8×8. Багатомодове волокно, розміщене між чотирма фазовими площинами, реалізує програмоване перетворення просторових мод у двох незалежних каналах. Показано приклад конфігурації, що відповідає паралельному вимірюванню станів Белла і використовується для мультиплексованого обміну заплутаністю.
На рисунку 3 подано результати маршрутизації заплутаності в трьох різних конфігураціях глобальної квантової мережі. У кожному випадку програмований багатопортовий вузол перебудовується так, щоб заплутані стани розподілялися між іншими парами користувачів. На рисунку 3, а показано локальну конфігурацію, коли заплутаність підтримується в межах підмереж; на рисунку 3, b - глобальну конфігурацію, де зв’язки встановлюються між користувачами різних підмереж; на рисунку 3, b - змішану конфігурацію, яка поєднує локальні та міжмережеві з’єднання. Таким чином, рисунок демонструє, що одна й та сама апаратна платформа здатна гнучко змінювати структуру квантових зв’язків.
Праві частини рисунка містять нормовані двофотонні кореляції, виміряні в двох взаємно незміщених базисах. Саме ці кореляції використовуються для підтвердження того, що між відповідними користувачами справді зберігається квантова заплутаність після проходження через програмований вузол. Отримані значення вірності для різних конфігурацій лежать приблизно в межах від 76.5% до 86.3%, що підтверджує успішний розподіл заплутаних станів у всіх основних режимах роботи мережі. Ці результати показують, що перехід від локальної до глобальної структури не призводить до критичного погіршення якості заплутаності.
Фізичне значення рисунка 3 полягає в тому, що він підтверджує не лише працездатність окремого багатопортового пристрою, а й можливість керованого розподілу заплутаності між багатьма користувачами в реконфігурованій мережі. Це є важливим для побудови масштабованих квантових комунікаційних систем, у яких структура з’єднань має змінюватися залежно від задачі, а не бути жорстко фіксованою.
Рисунок 3 - Маршрутизація заплутаності в різних конфігураціях глобальної квантової мережі. (а) Локальна конфігурація зв’язків. (b) Глобальна конфігурація між користувачами різних підмереж. (c) Змішана локально-глобальна конфігурація. Для кожного режиму наведено двофотонні кореляції, які підтверджують збереження заплутаності після програмованої маршрутизації.
На рисунку 4 наведено результати мультиплексованого обміну заплутаністю між віддаленими користувачами мережі. У цьому режимі багатопортовий вузол виконує одночасні вимірювання станів Белла в двох каналах, унаслідок чого заплутаність переноситься на нові пари користувачів, які спочатку не були безпосередньо з’єднані між собою. На рисунку 4, а і b показано реконструйовані матриці густини для двох віддалених пар користувачів A1H1 та A2H2. Це свідчить про те, що після спільної операції в центральному вузлі між віддаленими користувачами формується новий заплутаний стан.
У кожному випадку наведено структуру отриманого квантового стану та його відповідність ідеальному максимально заплутаному стану. Значення вірності становлять приблизно 77.1% для першого каналу і 83.2% для другого. Ці результати підтверджують успішну реалізацію протоколу обміну заплутаністю в мультиплексованому режимі, тобто одночасно для двох незалежних каналів. Саме ця можливість є ключовою для переходу від локальних мережевих демонстраторів до більш складних багатокористувацьких квантових мереж великого масштабу.
Рисунок 4 є завершальним для всієї роботи, оскільки він демонструє найскладніший режим функціонування мережі - перенесення заплутаності між віддаленими вузлами за допомогою проміжного програмованого багатопортового пристрою. Це є важливим кроком до реалізації гнучких квантових мереж із великою кількістю користувачів та змінною топологією з’єднань.
Рисунок 4 - Мультиплексований обмін заплутаністю між віддаленими користувачами. (а, b) Реконструйовані матриці густини для двох віддалених пар користувачів після одночасного вимірювання станів Белла в двох каналах. Отримані значення вірності підтверджують успішне формування заплутаних станів після обміну заплутаністю.
У роботі продемонстровано працездатну модель глобальної реконфігурованої квантової фотонної мережі на вісім користувачів. Її основою є програмований багатопортовий пристрій на базі багатомодового волокна, який забезпечує керовані високовимірні перетворення над двома незалежними фотонами.
Показано три режими розподілу заплутаності: локальний, глобальний і змішаний. Для всіх основних конфігурацій досягнуто вірностей, достатніх для підтвердження наявності квантової заплутаності. Окремо продемонстровано обмін заплутаністю між віддаленими користувачами, що є необхідним кроком для побудови масштабованих квантових мереж.
У сукупності результати на рисунках 1-4 підтверджують, що запропонована архітектура придатна для побудови масштабованих багатокористувацьких квантових мереж, сумісних із волоконно-оптичною інфраструктурою зв’язку.
Natalia Herrera Valencia , Annameng Ma, Suraj Goel , Saroch Leedumrongwatthanakun, Francesco Graffitti , Alessandro Fedrizzi , Will McCutcheon, Mehul Malik
Nature Photonics volume 20, p. 202 – 207 (2026)
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01806-x
