Квантовая запутанность — штука хрупкая. Достаточно малейшего шума, и хрупкая связь между частицами рвётся. Поэтому запутанные фотоны обычно гоняют по выделенным тёмным волокнам, куда не пускают обычный интернет-трафик. Но что, если квантовый сигнал пустить по самому загруженному кабелю города?

Физики из Северо-Западного университета решили проверить это на действующей линии между Эванстоном и Чикаго. Той самой, по которой каждый день идут гигабиты обычных данных. И запутанные фотоны не просто выжили — они сохранили квантовое состояние с точностью выше 94% на дистанции 24,4 километра.

Это не лабораторный трюк. Оптоволокно в тот момент несло оптическую мощность, достаточную для передачи 36 терабит данных в секунду. По сути, квантовый сигнал пробирался сквозь толпу классических фотонов — и не потерялся.

Мы уже писали о похожем эксперименте, где запутанные фотоны прошли по коммерческому кабелю с трафиком 1,6 Тбит/с: запутанные фотоны прошли 24 км по кабелю с интернет-трафиком. Новая работа идёт дальше: трафик в 22 раза плотнее, а значит, квантовые сети будущего можно строить поверх существующей инфраструктуры, не прокладывая отдельные тёмные волокна.

Почему это важно? Потому что квантовый интернет обещает сверхзащищённую связь и распределённые квантовые вычисления. Но прокладка новых кабелей — дорого и долго. Если запутанность выдерживает соседство с обычным трафиком, операторам не придётся жертвовать пропускной способностью ради квантовых каналов.

В 2024 году учёные уже показывали квантовую телепортацию через лабораторный кабель с интернет-трафиком. Теперь сделан следующий шаг: реальная городская сеть, реальный трафик, реальная запутанность. И 94% точности — это не предел, а отправная точка для инженеров.

Пара запутанных фотонов прошла между Эванстоном и центром Чикаго по оптоволокну, которое уже было забито обычным интернет-трафиком. Несмотря на такую враждебную среду, их общее квантовое состояние сохранилось с точностью более 94%.

Тест на дистанции 24,4 км задействовал действующую городскую линию, соединяющую кампус Северо-Западного университета в Эванстоне с узлом StarLight International/National Communications Exchange Facility в Чикаго. По тому же кабелю одновременно шли два канала данных по 800 гигабит в секунду — оптическая мощность соответствовала полностью загруженной коммерческой линии.

Эксперимент, опубликованный в Optica Quantum, впервые показал распределение запутанности между удалёнными узлами по развёрнутому волокну, которое несёт современный телекоммуникационный трафик. Это намекает: будущие квантовые сети смогут использовать существующую инфраструктуру связи, а не прокладывать отдельное волокно через целые города.

«Квантовые сигналы очень, очень малы по сравнению с классическими, — говорит Пре Кумар, старший автор исследования и профессор Инженерной школы Маккормика при Северо-Западном университете. — Это как муравей, идущий по тропе, заполненной слонами. Наши результаты показывают, что фотоны могут пережить такое путешествие и остаться запутанными».

Хрупкие фотоны входят в переполненный кабель

Обычные интернет-системы кодируют информацию в битах — нулях и единицах. Квантовые сети используют квантовые состояния, включая кубиты, которые ведут себя так, как недоступно классическим вычислительным системам.

Запутанность связывает квантовые состояния двух частиц, даже когда они разнесены в пространстве. Эта связь может поддерживать квантовую телепортацию — перенос квантовой информации без перемещения исходного физического носителя через всё расстояние.

Стандартная оптическая связь отправляет сигналы, содержащие миллионы фотонов. Квантовая связь может зависеть от одиночных фотонов, поэтому шум от мощного классического света легко их заглушает.

Группа Кумара ранее проверила стратегию защиты в лаборатории. Исследователи поместили квантовые фотоны в более тихий диапазон длин волн и использовали узкие фильтры, чтобы отсечь шум от обычного трафика. Та работа включала телепортацию через 30 километров лабораторного волокна, по которому шла высокоскоростная связь.

Разделение трафика по цвету

Команда генерировала пары поляризационно-запутанных фотонов в Эванстоне. Один фотон из каждой пары оставался там, а его партнёр входил в развёрнутое волокно и летел в Чикаго.

Путешествующий фотон использовал длину волны 1290 нанометров в оптическом O-диапазоне. Обычный телекоммуникационный трафик занимал C-диапазон, где обычно работают коммерческие системы.

Такое разделение важно, потому что интенсивный классический свет вызывает спонтанное рамановское рассеяние внутри волокна. Рассеяние создаёт паразитные фотоны, которые можно принять за квантовые сигналы.

Измерения показали: на более низких длинах волн O-диапазона рассеянного шума меньше. Перенос квантового канала с 1310 на 1290 нанометров снизил шум, хотя более короткая волна испытывала чуть большие потери при передаче.

Исследователи использовали узкие спектральные фильтры, чтобы убрать почти весь оставшийся шум. Они также ограничили детектирование временным окном в 300 пикосекунд, отбрасывая фотоны, пришедшие вне ожидаемого интервала.

Классическая система несла 1,6 терабита в секунду через два канала по 800 гигабит.

«Волокно несло достаточно мощности, чтобы потенциально передавать 36 терабит в секунду классических данных, — говорит Кумар. — Это примерно эквивалентно 20 миллионам одновременно транслируемых YouTube-видео через одно волокно».

Поскольку рассеяние зависит от оптической мощности и длины волны, а не от скорости передачи данных, ёмкость можно поднять выше 36 терабит в секунду без усиления влияния на квантовый канал.

Держать два города на одних часах

Детектирование запутанных пар в разных точках требовало, чтобы обе измерительные станции имели исключительно точные общие часы. Команда использовала White Rabbit — оптическую систему синхронизации, основанную на устоявшихся сетевых протоколах.

Сигнал синхронизации шёл по тому же волокну в L-диапазоне. Его длина волны была далеко от квантового канала, чтобы ограничить дополнительное рассеяние.

Тесты показали: система синхронизации давала около 3 пикосекунд временного дрожания. Полный пик совпадений запутанных фотонов составил около 46 пикосекунд — намного внутри окна детектирования в 300 пикосекунд.

Такая точность позволила детекторам в Эванстоне и Чикаго сопоставлять фотоны из одной пары в реальном времени.

Исследователи сравнили квантовое состояние при выключенной и включённой классической системе. Двухфотонная интерференция оставалась сильной в каждой проверенной поляризационной базе.

Измерения квантового состояния показали точность выше 94% относительно задуманного запутанного состояния. Сигнал, переданный рядом с интернет-трафиком, также близко совпал с тем, что измерили по тёмному волокну без обычной связи.

Мост к квантовой телепортации

Результат пока не демонстрирует телепортацию между двумя точками. Он завершает первый необходимый этап — распределение запутанности по городской линии.

«Мы пересекли важный мост, показав, что можем распределять запутанность, — говорит Кумар. — Но в телепортации два шага. Сначала нужно распределить запутанность. Затем нужно передать информацию. Каждый шаг всё сложнее и труднее, но мы показываем, что это возможно».

Команда планирует попытаться провести телепортацию между удалёнными узлами, пока то же волокно несёт коммерческий трафик. Будущие тесты также должны решить вопросы больших расстояний, непрерывной работы и автоматической коррекции.

Кстати, мы уже рассказывали о похожем эксперименте, когда запутанные фотоны прошли 24 км по кабелю с интернет-трафиком — тогда точность квантовой связи составила 94,2%, и это изменило взгляд на строительство квантового интернета.