Физики в Китае установили таинственную квантовую связь между частицами, называемую запутанностью, на протяжении десятков километров стандартного оптического волокна, установив новый рекорд. Прогресс знаменует собой длинный шаг к полностью квантово-механическому Интернету, хотя до такой сети еще много лет. Но это достижение связано не с одним конкретным прорывом, а с тщательным внедрением множества методов.
Запутанность связывает странные состояния крошечных квантово-механических объектов. Например, деталь может вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, но атом может вращаться в обе стороны одновременно - по крайней мере, до тех пор, пока она не будет измерена, и это двухстороннее состояние разрушится в одну или другую сторону. Два атома могут быть запутаны так, что каждый находится в неопределенном двустороннем состоянии, но их вращения определенно коррелируют, скажем, в противоположных направлениях. Поэтому, если физики измерят первый атом и обнаружат, что он вращается по часовой стрелке, они сразу узнают, что другой должен вращаться против часовой стрелки, независимо от того, насколько далеко он находится.
Запутывание было бы ключом к полностью квантовому Интернету, который позволил бы квантовым компьютерам будущего общаться друг с другом и быть неуязвимым для взлома. Если бы хакеры испортили общение, они бы испортили запутанность, обнажив свое присутствие. Различные компании уже продают системы, которые отправляют сообщения в квантовых состояниях света, которые в основном не поддаются взлому. Но для использования таких ссылок информация все равно должна быть декодирована на каждом сетевом узле, который потенциально уязвим. В квантовом Интернете любой узел может быть запутан с любым другим, поэтому сообщения между ними не могут быть декодированы на промежуточных узлах.
Но разработчики должны сначала растянуть запутывание на большие расстояния. Ранее исследователи продемонстрировали запутывание двух кусочков вещества на 1,3 км оптического волокна. Теперь Сяо-Хуэй Бао, Цзянь-Вэй Пан и его коллеги из Университета науки и технологии Китая, Пекин, продемонстрировали запутанность по оптоволоконным линиям связи до 50 километров, как они сообщают в журнале Nature.
Детали головокружительные, но основная идея эксперимента относительно проста. Исследователи начинают с двух идентичных станций в одной лаборатории, каждая из которых содержит облако атомов рубидия. Подбирая каждое облако лазером, они генерируют фотон, поляризация которого, которая может иметь направление по часовой стрелке или против часовой стрелки, запутана с внутренним состоянием облака. Затем они посылают фотоны вниз по двум параллельным оптическим волокнам на третью станцию в другой лаборатории, расположенной на расстоянии 11 километров, где фотоны взаимодействуют таким образом, что мгновенно проходит первоначальную запутанную связь с двумя далекими облаками атомов.
Предоставлено: Marcel Wogram for Nature.
Для этого физики пользуются тем, что, согласно квантовой механике, измерение может влиять на состояние измеряемого объекта. В лаборатории назначения физики установили измерение поляризации фотонов, которое, даже потребляя фотоны, также «проецирует» их в определенное запутанное состояние с вероятностью 25%. Для этих испытаний измерение мгновенно передает запутанность обратно атомным облакам. Исследователи выполнили вариант эксперимента, который расширил связь с 22 километров до 50 километров, хотя волокна были намотаны на катушки.
По словам Пэна, чтобы эксперимент был успешным, команде нужно было правильно выбрать несколько элементов. Главным препятствием было предотвращение поглощения фотонов в оптическом волокне. Для этого Пан и его коллеги использовали другой лазерный импульс и устройство под названием волновод, чтобы растянуть длину волны фотонов на 60% до точки наилучшего восприятия для передачи по стандартному оптическому волокну.
В то же время, исследователи упростили себе жизнь, потому что атомные облака были на расстоянии менее 1 метра друг от друга и просто соединены длинным оптическим волокном. Эта близость значительно упростила синхронизацию эксперимента. Так что, строго говоря, история запутывания частиц атомного масштаба, разделенных на 1,3 километра, все еще остается.
Тем не менее, эксперимент важен, потому что для сети установочная связь составляет около половины базового элемента, называемого квантовым повторителем. Повторитель будет состоять из двух систем, подобных той, что в эксперименте, помещенной вплотную. После того, как физики запутали атомные облака на концах каждой системы, они могли выполнить дополнительные измерения на облаках в середине, которые поменяли бы переплетение с облаками на концах, растянув запутанность вдвое. Этот эксперимент - большой шаг к квантовому повторителю.
Но некоторые аспекты работы должны быть улучшены, прежде чем их можно будет использовать для создания квантового повторителя. В частности, атомные облака еще недостаточно долго хранят свои тонкие квантовые состояния, чтобы обеспечить многократное связывание, необходимое в квантовом повторителе.
Цели – ясны, задачи - поставлены
Известная команда исследователей квантового интернета в Технологическом университете Делфта в Нидерландах в настоящее время выпустила дорожную карту, в которой изложены этапы совершенствования сети - и подробно описаны технологические проблемы, которые могут возникнуть на каждом уровне. Их предсказания описаны в Science.
Исследователи утверждают, что технология, которая будет дополнять, а не заменять существующий Интернет, может в конечном итоге стать широко распространенной как для крупных пользователей, таких как университетские лаборатории, так и для отдельных потребителей, хотя они не дают конкретных сроков реализации проектов.
Исследователи стремяться создать машины, которые могут превзойти классические компьютеры. В области квантовых вычислений это гораздо больше всего или ничего.
Сложно предсказать, какая технология будет на первом месте - широко распространенный квантовый интернет или полезные квантовые компьютеры. Но у квантовых сетей есть большое преимущество в том, что такую сеть можно создавать шаг за шагом, и на каждом этапе можно добавлять различные функции.
Дорожная карта также направлена на создание общего языка для области, в которой участвуют исследователи с разным опытом, включая информационные технологии, информатику, инженерию и физику.
Шесть шагов к квантовому интернету
Квантовые сети и квантовые вычисления имеют много общих концепций и методов. Оба используют преимущества явлений, которые не имеют аналогов в классической физике: например, квантовая частица, такая как электрон или фотон, может находиться в одном из двух четко определенных состояний вращения, по часовой стрелке или против часовой стрелки, - но также в одновременной комбинации и то, и другое называется суперпозицией. И две частицы могут быть «запутаны» , в которых они имеют общее квантовое состояние. Это заставляет их действовать, казалось бы, скоординированными способами (такими как вращение в противоположных направлениях), даже когда они разделены огромными расстояниями.
Исследователи изложили шесть этапов совершенства, которых может достичь будущий квантовый интернет, и что пользователи могут делать на каждом уровне.
0 Сеть доверенных узлов: пользователи могут получать квантованные коды, но не могут отправлять или получать квантовые состояния. Любые два конечных пользователя могут совместно использовать ключ шифрования (но поставщик услуг также узнает его).
Он является своего рода ступенью 0, поскольку он не описывает истинный квантовый Интернет, - это сеть, которая позволяет пользователям устанавливать общий ключ шифрования, чтобы они могли безопасно делиться своими (классическими) данными. Квантовая физика происходит только за кулисами: поставщик услуг использует ее для создания ключа. Но провайдер также знает ключ, а это означает, что пользователи должны доверять ему. Этот тип сети уже существует, особенно в Китае, где он простирается на 2000 километров и соединяет крупные города, включая Пекин и Шанхай.
На первом этапе пользователи начнут участвовать в квантовой игре, в которой отправитель создает квантовые состояния, обычно для фотонов. Они будут отправлены на приемник, либо по оптическому волокну, либо через лазерный импульс, излучаемый через открытый космос. На этом этапе любые два пользователя смогут создать закрытый ключ шифрования, который знают только они.
Технология также позволит пользователям отправлять квантовый пароль, например, на такой аппарат, как банкомат. Машина сможет проверить пароль, не зная, что это такое, и не сможет его украсть.
1 Подготовьтесь и измерьте: конечные пользователи получают и измеряют квантовые состояния (но квантовое явление запутывания не обязательно вовлечено). Два конечных пользователя могут поделиться закрытым ключом только они знают. Кроме того, пользователи могут проверить свой пароль, не раскрывая его.
Стадия 1 не была опробована в больших масштабах, но она уже технологически осуществима в масштабах небольших городов хотя она будет очень медленной. Группа во главе с Пан Цзянь-Вей из Университета науки и технологий Китая в Хэфэй установила мировой рекорд по передаче такого рода в 2017 году, когда они использовали спутник для связи двух лабораторий на расстоянии более 1200 километров друг от друга .
2 Запутывающие распределительные сети: любые два конечных пользователя могут получать запутанные состояния (но не хранить их). Они обеспечивают максимально возможное квантовое шифрование.
На втором этапе квантовый Интернет будет использовать мощное явление запутывания. Его первой целью будет сделать квантовое шифрование практически неразрушимым. Большинство методов, необходимых для этой стадии, уже существуют, по крайней мере, в качестве элементарных лабораторных демонстраций.
3 Квантовые сети памяти: любые два конечных пользователя для получения и хранения запутанных кубитов (квантовой единицы информации) и могут телепортировать квантовую информацию друг другу. Сети обеспечивают облачные квантовые вычисления.
4 и 5 Квантовые вычислительные сети. Устройства в сети - это полноценные квантовые компьютеры (способные исправлять ошибки при передаче данных). Эти этапы позволили бы использовать различные степени распределенных квантовых вычислений и квантовых датчиков с приложениями для научных экспериментов.
Стадии с 3 по 5 впервые позволят любым двум пользователям хранить и обмениваться квантовыми битами или кубитами. Это единицы квантовой информации, похожие на классические 1 и 0, но они могут находиться в суперпозиции 1 и 0 одновременно. Кубиты также являются основой для квантовых вычислений. (Ряд лабораторий - как в академических кругах, так и в крупных корпорациях, таких как IBM или Google - занимаются созданием все более сложных квантовых компьютеров; самые передовые имеют память, которая может содержать несколько десятков кубитов.)
Чтобы добраться до финальной стадии, потребуется несколько прорывов. Команда авангарда работает над созданием первого «квантового повторителя» - устройства, которое может помочь запутывать кубиты на все большие и большие расстояния.
Для решения сложных задач
Ранние пользователи сетей самого высокого уровня квантового интернета, вероятно, будут сами ученые. Лаборатории получат возможность удаленно подключаться к первым усовершенствованным квантовым компьютерам или подключать такие машины для работы в качестве единого компьютера.
Затем они могли бы использовать эти системы для проведения экспериментов, которые невозможны на классических машинах, например, для моделирования квантовой физики молекул или материалов. Сети квантовых часов могут значительно повысить точность измерений для таких явлений, как гравитационные волны, а удаленные оптические телескопы могут связать свои кубиты для повышения резкости изображений. Но могут быть и приложения за пределами науки.
Квантовый интернет – это реально
В ближайшем будущем квантовый интернет может стать специализированной ветвью обычного интернета. Исследовательские группы по всему миру в настоящее время разрабатывают чипы, которые могут позволить классическому компьютеру подключаться к квантовой сети. Люди будут использовать классические вычисления большую часть времени и подключаться к квантовой сети только для конкретных задач.
Например, вы можете подключить классический квантовый компьютер к квантовой сети для отправки сообщения с использованием квантовой криптографии - возможно, самой зрелой квантовой технологии. В квантовой криптографии отправитель использует криптографический ключ, закодированный в квантовом сигнале, для шифрования сообщения. Согласно законам квантовой механики, если кто-то попытается перехватить ключ, он уничтожит его.
