Первая в мире многоузловая сеть приблизила нас к квантовому Интернету

Исследователи из исследовательского центра QuTech в Нидерландах создали систему, которая состоит из трех квантовых узлов, запутанных жуткими законами квантовой механики, которые управляют субатомными частицами. Впервые более двух квантовых битов или "кубитов", которые выполняют вычисления в квантовых вычислениях, были связаны вместе как "узлы" или конечные точки сети.

Исследователи ожидают, что первые квантовые сети откроют множество вычислительных приложений, которые не могут быть выполнены с помощью существующих классических устройств, таких как более быстрые вычисления и улучшенная криптография.

"Это позволит нам соединять квантовые компьютеры для увеличения вычислительной мощности, создавать сети, которые нельзя взломать, и соединять атомные часы и телескопы вместе с беспрецедентным уровнем координации", - сказал Маттео Помпили, член исследовательской группы QuTech, создавшей сеть в Технологическом университете Делфта.

"Есть также множество приложений, которые мы не можем предвидеть. Можно, например, создать алгоритм, который будет проводить выборы безопасным способом".

Во многом так же, как традиционный компьютерный бит является основной единицей цифровой информации, кубит является основной единицей квантовой информации. Как и бит, кубит может иметь значение 1 или 0, что соответствует двум возможным позициям в системе с двумя состояниями.

Но на этом сходство заканчивается. Благодаря странным законам квантового мира кубит может существовать в суперпозиции состояний 1 и 0 до момента измерения, когда он случайным образом схлопнется либо до 1, либо до 0. Это странное поведение является ключом к мощности квантовых вычислений, поскольку он позволяет кубиту выполнять несколько вычислений одновременно.

Самая большая проблема в объединении этих кубитов в квантовую сеть заключается в создании и поддержании процесса, называемого запутанностью, или того, что Альберт Эйнштейн назвал "жутким действием на расстоянии".

Это когда два кубита становятся связанными, связывая свои свойства, так что любое изменение в одной частице вызовет изменение в другой, даже если они разделены огромными расстояниями.

Вы можете запутывать квантовые узлы множеством способов, но один общий метод работает, сначала запутывая неподвижные кубиты (которые образуют узлы сети) с фотонами или световыми частицами, прежде чем фотоны стреляют друг в друга. Когда они встречаются, два фотона также запутываются, запутывая кубиты. Это связывает два неподвижных узла, разделенных расстоянием. Любое изменение одного из них отражается мгновенным изменением другого.

"Жуткое действие на расстоянии" позволяет ученым изменять состояние частицы, изменяя состояние ее удаленного спутанного партнера, эффективно телепортируя информацию через большие промежутки.

Но поддержание состояния запутанности - сложная задача, тем более что запутанная система всегда находится под угрозой взаимодействия с внешним миром и разрушения в процессе, называемом декогеренцией.

Это означает, во-первых, что квантовые узлы должны храниться при очень низких температурах внутри устройств, называемых криостатами, чтобы свести к минимуму вероятность того, что кубиты будут мешать чему-то вне системы. Во-вторых, фотоны, используемые в запутывании, не могут перемещаться на очень большие расстояния, прежде чем они будут поглощены или рассеяны, что разрушит сигнал, передаваемый между двумя узлами.

"Проблема в том, что, в отличие от классических сетей, вы не можете усилить квантовые сигналы. Если вы попытаетесь скопировать кубит, вы уничтожите исходную копию", - сказал Помпили, ссылаясь на физическую "теорему о запрете клонирования", которая гласит, что это невозможно. для создания идентичной копии неизвестного квантового состояния.

"Это действительно ограничивает расстояния, на которые мы можем посылать квантовые сигналы, до десятков сотен километров. Если вы хотите установить квантовую связь с кем-то на другом конце света, вам понадобятся промежуточные узлы ретрансляции".

Чтобы решить эту проблему, команда создала сеть с тремя узлами, в которой фотоны по существу "передают" запутанность от кубита в одном из внешних узлов к одному в среднем узле. В среднем узле есть два кубита - один для получения запутанного состояния, а другой для его хранения.

Как только запутанность между одним внешним узлом и средним узлом сохранена, средний узел запутывает другой внешний узел своим запасным кубитом. После всего этого средний узел запутывает два своих кубита, в результате чего кубиты внешних узлов запутываются.

Но создание этого странного квантово-механического вращения на основе классической "головоломки о переходе через реку" было наименьшей из проблем исследователей - конечно, странной, но не слишком сложной. Чтобы сделать запутанные фотоны и направить их в узлы правильным образом, исследователям пришлось использовать сложную систему зеркал и лазерного света. По-настоящему сложная часть заключалась в технологической проблеме уменьшения надоедливого шума в системе, а также в обеспечении идеальной синхронизации всех лазеров, используемых для генерации фотонов.

"Мы говорим о наличии от трех до четырех лазеров для каждого узла, поэтому вы начинаете иметь 10 лазеров и три криостата, которые должны работать одновременно, вместе со всей электроникой и синхронизацией", - сказал Помпили.

Трехузловая система особенно полезна, поскольку кубит памяти позволяет исследователям устанавливать запутанность между узлами сети, а не делать все это одновременно. Как только это будет сделано, информация может передаваться по сети.

Некоторые из следующих шагов исследователей в их новой сети будут заключаться в попытке передачи этой информации, наряду с улучшением основных компонентов вычислительных возможностей сети, чтобы они могли работать как обычные компьютерные сети. Все это задаст масштаб, которого может достичь новая квантовая сеть.

Они также хотят увидеть, позволит ли их система создать переплетение между Делфтом и Гаагой, двумя голландскими городами, которые находятся на расстоянии примерно 6 миль (10 километров) друг от друга.

"Прямо сейчас все наши узлы находятся в пределах от 10 до 20 метров друг от друга", - сказал Помпили. "Если вы хотите что-то полезное, вам нужно проехать километры. Это будет первый раз, когда мы собираемся сделать связь между большими расстояниями".

Напомним, ранее сообщалось, что квантовые интернет-сигналы передали между дронами на расстоянии километра.