В мире, где квантовые компьютеры и защищенная связь становятся реальностью, распределение запутанных состояний между удаленными узлами остается одной из главных проблем. Запутанность — это «клей» квантового мира, позволяющий синхронизировать частицы на любых расстояниях. Однако, чем длиннее цепь, тем сильнее влияние шумов и потерь. Современные квантовые повторители, передающие по одной паре частиц, слишком медленны и уязвимы к декогеренции.

Новая работа предлагает революционный подход. Вместо одиночных кубитов ученые используют ансамбли атомов, связанных через оптические каналы. Это похоже на создание «квантового хора», где каждый «голос» усиливает общий сигнал. Главный секрет — специально подобранное время взаимодействия, названное «магическим», которое гарантирует идеальную точность передачи. Метод не только быстр, но и детерминирован: корректируя состояния локально, можно всегда получать одинаковый результат, что критично для практических приложений.

Распределение квантовой запутанности на большие расстояния — ключевая задача для коммуникации, вычислений и метрологии. Современные методы передают лишь одну пару частиц за раз, что ограничивает скорость. Ученые предлагают новую схему, использующую ансамбли атомов и оптические взаимодействия. Метод позволяет детерминированно создавать макроскопическую запутанность с линейным масштабированием, сохраняя идеальную точность даже на больших дистанциях. ‘Волшебное’ время взаимодействия и локальные измерения устраняют потери, открывая путь к устойчивой квантовой сети.

Будущее квантовых сетей: от теории к практике
Предложенный протокол меняет правила игры. Линейное масштабирование, устойчивость к декогеренции и макроскопическая запутанность делают его идеальным кандидатом для создания глобальных квантовых сетей. «Волшебные» параметры взаимодействия исключают потери, а использование атомных ансамблей упрощает интеграцию с существующими технологиями, такими как квантовая память.

Однако путь к реализации не лишен вызовов. Эксперименты должны подтвердить, как метод работает в условиях реальных шумов и неточностей оборудования. Тем не менее, это важный шаг к квантовому интернету, распределенным вычислениям и сверхточным сенсорам. Возможно, через десятилетие такие системы станут основой новой эры коммуникаций, где расстояние больше не будет преградой для квантовой синхронизации.

Работа выполнена учеными ФИЦ ПХФ и МХ РАН: Лазарев Илья, Пырков Алексей  – Лаборатория спиновой динамики и спинового компьютинга совместно с Tim Byrnes (Факультета физических и материаловедения, Восточно-китайский педагогический университет, Шанхай)

Alexey N. Pyrkov, Ilia D. Lazarev, Tim Byrnes //Quantum Repeater Protocol for Deterministic Distribution of Macroscopic Entanglement // Advanced Quantum Technologies, 06 February 2025, Q-1, IF=4.4

https://doi.org/10.1002/qute.202400524