Квантовый интернет всё ближе: как новый эксперимент заложил основу автономных оптических сетей

Развитие квантовых технологий неизбежно ведет к созданию квантового интернета — глобальной сети, принципы работы которой будут полностью отличаться от современных телекоммуникаций. Фундаментом для таких систем служит явление квантовой запутанности. В 2022 году Нобелевская премия по физике окончательно закрепила доказательство того, что запутанные частицы представляют собой единую систему, вне зависимости от расстояния между ними. Измерение состояния одной частицы моментально определяет состояние другой. Это явление физики называют квантовой нелокальностью.

Однако до недавнего времени все фундаментальные проверки этого феномена, включая знаменитые тесты Белла, сводились к простейшей линии связи: есть один источник, который отправляет две запутанные частицы двум получателям. В реальности архитектура сетей гораздо сложнее. Она состоит из множества узлов и маршрутов. Перед научным сообществом возникла проблема: если объединить несколько независимых источников квантовых частиц в сложную топологию, будет ли такая сеть просто суммой отдельных парных связей, или же возникнет совершенно новый уровень квантовой координации всего контура целиком?

Международная команда исследователей из Китая, Швейцарии, Австрии и Испании завершила эксперимент, который дал однозначный ответ. Физики спроектировали оптическую сеть в форме треугольника и впервые зафиксировали подлинную сетевую нелокальность. Они доказали, что квантовая сеть обладает собственными, уникальными физическими характеристиками, которые невозможно свести к классическим моделям или к набору простых парных взаимодействий.

Проблема независимых источников

Для понимания сути эксперимента необходимо рассмотреть предложенную структуру. Исследователи построили сеть в виде равностороннего треугольника. На трех его вершинах находятся принимающие измерительные узлы. На серединах трех сторон треугольника располагаются источники фотонов.

Каждый источник генерирует пару запутанных частиц и рассылает их в двух противоположных направлениях — к ближайшим вершинам. В результате каждый из трех принимающих узлов получает ровно два фотона. Принципиально важно то, что эти фотоны прилетают от двух совершенно разных, физически не связанных между собой источников.

Согласно законам классической физики и теории скрытых параметров, объекты, не имевшие взаимодействия в прошлом, не могут демонстрировать строгую синхронизацию в настоящем. Если три источника работают автономно, то и результаты измерений на вершинах треугольника должны оставаться независимыми друг от друга.

Предыдущие попытки исследовать такие структуры не давали однозначного ответа. Ученые пытались встраивать классический тест Белла в одну из граней треугольной сети, в то время как остальные компоненты передавали обычный, классический сигнал. Это не позволяло проверить свойства самой топологии графа. Новая цель заключалась в том, чтобы заставить всю треугольную сеть работать исключительно по квантовым законам и доказать, что классическая физика не способна описать полученный результат.

Архитектура эксперимента

Создание подобной установки потребовало высочайшей точности. Основой эксперимента послужил лазер, генерирующий ультракороткие световые импульсы длительностью 140 фемтосекунд на длине волны 780 нанометров. Излучение проходило через систему удвоения частоты, преобразовываясь в ультрафиолет, после чего луч разделялся на три равные части.

Эти три луча направлялись на независимые источники — сэндвич-структуры из нелинейных кристаллов бета-бората бария. При попадании ультрафиолетового излучения в кристалл происходил процесс спонтанного параметрического рассеяния: фотон накачки распадался на пару фотонов с противоположными поляризациями, находящихся в строго запутанном состоянии. Далее эти частицы по оптическим волокнам отправлялись к измерительным узлам.

Самым сложным этапом подготовки было обеспечение строгой изоляции источников. Для чистоты эксперимента физикам требовалось исключить малейшую возможность того, что источники передают друг другу скрытые сигналы через общую лазерную систему. С этой целью на пути каждого луча накачки исследователи установили моторизованные стеклянные пластины. Квантовые генераторы случайных чисел изменяли угол наклона этих пластин каждые 20 миллисекунд. Это вносило хаотичные сдвиги в фазу излучения и полностью стирало любую потенциальную синхронизацию между тремя генераторами фотонов.

Элегантные совместные измерения

Получив по два независимых фотона, измерительные узлы должны были провести так называемое элегантное совместное измерение. Это ключевой процесс, который отличает данную работу от всех предыдущих исследований.

Если просто измерить поляризацию каждого фотона по отдельности, исследователь получит набор классических случайных данных. Вместо этого физики направили поступающие фотоны через систему четвертьволновых и полуволновых пластин в поляризационный светоделитель. Внутри этого устройства частицы накладывались друг на друга и интерферировали.

Процесс интерференции физически стирает информацию о том, из какого именно источника прибыл конкретный фотон. Потеряв эту информацию, частицы проецируются в новое, общее квантовое состояние. Две независимые частицы становятся запутанными непосредственно в момент измерения.

Установка функционировала непрерывно на протяжении 288 часов. Из-за крайней сложности процесса одновременной генерации и успешной регистрации сразу шести частиц, полезный сигнал был крайне редким. За все время работы исследователи зафиксировали 3343 идеальных события, при которых оптическая схема сработала корректно на всех трех узлах одновременно. Собранные данные сформировали итоговое распределение вероятностей результатов измерений.

Доказательство через машинное обучение

Финальным и самым трудным этапом исследования стала интерпретация полученных данных. В классическом эксперименте с двумя частицами физики используют аналитические неравенства: достаточно подставить результаты измерений в формулу, и если итоговое значение превышает определенный предел, квантовая природа процесса считается доказанной.

Однако для многоузловых сетей математический аппарат усложняется многократно. Вычисление всех возможных классических состояний для треугольной структуры представляет собой невыпуклую задачу оптимизации. Количество вариантов настолько велико, что точный аналитический расчет становится невозможным.

Для решения этой проблемы физики обратились к технологиям искусственного интеллекта. Они применили алгоритм LHV-Net — специализированную нейронную сеть, архитектура которой строго ограничена законами классической физики и теорией локальных скрытых параметров. Задачей алгоритма было найти такую классическую модель генерации данных, которая смогла бы воспроизвести распределение вероятностей, полученное в оптическом эксперименте.

Исследователи провели 60 независимых циклов обучения нейросети. Во всех случаях алгоритм не смог приблизиться к результатам оптического теста. Минимальное отклонение между лучшей моделью нейросети и реальными показателями эксперимента составило 0.0230. В рамках строгой статистики это отклонение превышает погрешность более чем на восемь стандартных отклонений, что является безоговорочным доказательством. Экспериментальные данные нарушили специально выведенное для сетей неравенство на 42% сильнее, чем это теоретически допускают любые классические физические системы.

Фундамент безопасного будущего

Доказано, что топология квантовой сети формирует уникальные нелокальные связи, которые обеспечивают системе целостность на фундаментальном физическом уровне.

Это открытие критически важно для развития концепции самотестирующихся сетей. В классической информационной безопасности защита данных опирается на криптографические алгоритмы и доверие к аппаратному обеспечению. В квантовом интернете доверие к оборудованию больше не требуется.

Если сеть способна демонстрировать подлинную нелокальность, распределение вероятностей при измерениях само по себе служит гарантией безопасности. Любая попытка внешнего вмешательства, прослушивания канала или дефекты в самих оптических компонентах неминуемо изменят статистику совпадений и не позволят нарушить квантовые неравенства. Защита информации в такой архитектуре гарантируется базовыми законами устройства физического мира.

Источник: arXiv