Квантовые информационные технологии, ранее ограниченные теоретическими рамками, стремительно продвигаются к практическим приложениям, стимулируя прогресс в сетях безопасной связи и вычислениями нового поколения. Недавнее достижение японских исследователей дало ключевой компонент для этого развивающегося ландшафта: новый малопотерю маршрутизатор, способный направлять как одиночные фотоны, так и пары запутанных фотонов, не ставя под угрозу хрупкую квантовую информацию, которую они несут.
Значение маршрутизации с сохранением поляризации
Фотон — индивидуальная частица света — является рабочей лошадкой многих прототипов квантовой связи и вычислений. В отличие от классических систем связи, которые полагаются на лучи света, содержащие триллионы частиц, квантовые системы часто работают с использованием одиночных фотонов, что придает им как силу, так и хрупкость. Потеря даже одного фотона может привести к потере информации, а любой шум, вводимый во время передачи, может быстро исказить эти хрупкие квантовые состояния.
Чтобы решить эту проблему, исследователям требуются устройства маршрутизации, которые могут направлять фотоны по различным путям, при этом тщательно сохраняя их свойства. Поляризация — ориентация световых волн — является особенно важным носителем квантовой информации, или кубитов. Следовательно, маршрутизатор, сохраняющий поляризацию, необходим для создания квантовой памяти, облегчения дальней связи и, в конечном итоге, обеспечения работы крупномасштабных квантовых сетей. Как подчеркивают авторы, идеальный фотонный маршрутизатор должен работать с низкими потерями, минимальным шумом, высокой скоростью и без нарушения квантовых состояний фотонов — комбинация, которую было трудно достичь.
Новейший дизайн с низкими потерями
Японская команда преодолела предыдущие ограничения благодаря дизайну, основанному на компактном интерферометре и специально выровненных электрооптических кристаллов. Интерферометр разделяет свет на два пути, затем объединяет их таким образом, что световые волны либо усиливаются, либо гасят друг друга, в зависимости от их относительной длины пути. Эта конфигурация, ценная в квантовой оптике, позволяет исследователям точно манипулировать фотонами, не нарушая информацию, которую они несут. Тщательно выровненные электрооптические кристаллы подавляют нежелательные искажения, гарантируя, что фотоны, независимо от их поляризации, проходят без изменений.
Исключительные показатели производительности
Тестирование продемонстрировало исключительную производительность: маршрутизатор вносил потерь всего 0,057 децибел — примерно 1,3 процента — и переключал пути фотонов за доли секунды (3 наносекунды), при этом создавая практически незаметный шум. Исследователи достигли более чем 99-процентной верности при маршрутизации произвольно поляризованных одиночных фотонов. Что особенно важно, устройство также поддерживало корреляции запутанных пар фотонов — фотонов, чьи свойства связаны таким образом, что измерение одного мгновенно влияет на другой, независимо от расстояния — с видимостью интерференции около 97 процентов. Это первая демонстрация активного переключения оптических путей для многофотонной запутанности, особенно тех, которые кодируются в ортогонально поляризованных состояниях.
Совместимость с существующей инфраструктурой
Одним из ключевых преимуществ этого нового маршрутизатора является его работа в диапазоне телекоммуникаций — той же области, которая используется в сегодняшней оптоволоконной инфраструктуре. Эта совместимость позволяет интегрировать его непосредственно в существующие сети, что является важным шагом в масштабировании квантовых систем за пределы лабораторных условий.
Вызовы и будущие направления
Хотя результаты и являются весьма многообещающими, исследователи признают, что остаются проблемы. Потеря фотонов при передаче из свободного пространства в оптические волокна является одной из них. Кроме того, стабильность текущей системы ограничена несколькими часами. Чтобы повысить стабильность, они предлагают миниатюризацию конструкции и внедрение методов активной стабилизации фазы — способов непрерывной регулировки оптических путей для компенсации внешних возмущений. Кроме того, более точное выравнивание электрооптических кристаллов может дополнительно повысить верность.
В будущем планируется интеграция маршрутизатора с квантовой памятью и исследование методов мультиплексирования, которые объединяют несколько фотонов в сложные состояния. Эти достижения могут проложить путь к универсальным квантовым логическим элементам — фундаментальным строительным блокам квантовых вычислений — и более эффективному распределению запутанности, создавая безопасные квантовые каналы связи. Эта технология также обещает дать возможность для прецизионных измерений, превосходящих пределы классической физики.
«Наша продемонстрированная схема улучшит различные фундаментальные фотонные квантовые операции, способствуя прогрессу широкого спектра квантовых информационных приложений», — заключает команда.
Исследование, опубликованное в Advanced Quantum Technologies, является важным шагом на пути к реализации практических квантовых информационных технологий.
Источник: Pengfei Wang et al, Low‐Loss Polarization‐Maintaining Router for Single and Entangled Photons at a Telecom Wavelength, Advanced Quantum Technologies (2025). DOI: 10.1002/qute.202500355
