«Неможливий» успіх: квантова телепортація в Інтернеті змінить світ

Інженери Північно-Західного університету досягли значного прогресу у квантових обчисленнях і комунікації, продемонструвавши квантову телепортацію через стандартний оптоволоконний кабель, який уже передає щоденний Інтернет-трафік. Ця розробка показує, що квантовий зв’язок може не вимагати виділених ліній, що відкриває шлях для більш легкої та більш поширеної інтеграції обміну квантовими та класичними даними.

Шлях для квантової мережі

Новини зосереджені навколо ідеї про те, що квантові сигнали — інформація, яку передають делікатні частинки світла, відомі як фотони — можуть переміщатися разом із щоденним Інтернет-трафіком, не втрачаючи своєї цілісності. Цей прорив демонструє квантову телепортацію, процес, коли стан частинки (наприклад, фотона) передається іншій віддаленій частинці без фізичного руху початкової частинки.

Наука за квантовою телепортацією

Використовуючи заплутані фотони, цей метод забезпечує безпечний, майже миттєвий обмін даними та прокладає шлях для майбутніх квантових мереж. Дослідницька група успішно випробувала установку, яка дозволяє квантовій інформації переплітатися через жвавий потік звичайних Інтернет-даних без перешкод. Це досягнення долає одну з найбільших перешкод у практичній реальності квантових мереж.

Прем Кумар, який керував дослідженнями, є професором електротехніки та комп’ютерної інженерії в Північно-Західній школі інженерії МакКорміка. Він відомий своїм внеском у квантову комунікацію та є директором Центру фотонної комунікації та обчислень. У своїй недавній роботі Кумар і його співробітники представили новий спосіб мислення про квантові сигнали поряд з їх класичними аналогами.

Заплутаність у квантовій комунікації

Квантова телепортація виділяється тим, що вона використовує заплутаність як спосіб обміну інформацією без фізичної передачі матерії на відстань. Ця концепція походить від Ейнштейна, Подольського та Розена в 1935 році. Відтоді вчені перевіряли квантову заплутаність у лабораторіях, кульмінацією чого стала офіційна пропозиція щодо квантової телепортації в 1993 році. Однією з найбільших привабливостей квантової телепортації є те, що вона може відбуватися майже так само швидко, як світло. Фотони можуть заплутуватися так, що вимірювання одного фотона миттєво впливає на його партнера, незалежно від того, наскільки далеко він знаходиться.

«Це неймовірно захоплююче, тому що ніхто не думав, що це можливо; наша робота показує шлях до квантових і класичних мереж наступного покоління, які спільно використовують уніфіковану волоконно-оптичну інфраструктуру. По суті, це відкриває двері для просування квантових комунікацій на наступний рівень», – захопився Кумар. 

Захист делікатних фотонів

Забезпечення чіткого маршруту для окремих фотонів передбачає більше, ніж просто додавання їх до активного кабелю. Звичайний інтернет-трафік зазвичай залежить від мільйонів легких частинок, тому кілька квантових фотонів можуть легко загубитися або бути переповненими.
Північно-західна команда провела детальні дослідження того, як світло розсіюється всередині кабелю, щоб побачити, чи існує певна довжина хвилі, яка відчуває менше перешкод. Вони точно визначили цю приємну точку та додали спеціальні фільтри, щоб зменшити шум, створюваний звичайним трафіком даних.

«Квантова телепортація має можливість забезпечити квантове з’єднання безпечно між географічно віддаленими вузлами», — сказав Кумар.

Попередня робота показала, що для великомасштабних квантових мереж можуть знадобитися спеціалізовані системи. Тепер його висновки показують, що це може бути не обов’язковим, якщо сигнали розташовані в потрібному місці спектра.

Перший тестовий запуск у зайнятих каналах

Більш ранні демонстрації квантової телепортації зазвичай включали первинні налаштування або спеціальні волокна. Деякі дослідники вважали, що реальні кабелі, переповнені сигналами, заглушать слабке квантове світло. Це припущення виявилося хибним. Під час випробувань у Північно-Західному дослідники запустили квантові сигнали та класичний зв’язок через один і той же оптоволоконний кабель без їх зіткнення. Вони виміряли, наскільки добре квантова інформація досягла місця призначення, і підтвердили, що вона все ще була правильною на іншому кінці.

«Наша робота показує шлях до квантових і класичних мереж нового покоління», — резюмував Кумар.

Реальна інфраструктура

Найближчим планом є масштабування системи для більшої тривалості, а потім перехід до підземних оптоволоконних з’єднань. Група вважає, що можливий перехід до реальних кабелів може бути наступним. Спираючись на телепортацію однієї пари, вони також хочуть поекспериментувати з кількома парами заплутаних фотонів, щоб досягти ще одного важливого кроку, відомого як заміна заплутаності. Якщо ця віха буде досягнута, квантові мережі можуть почати формуватися в регіонах, а не лише між двома точками. Для критично важливих операцій у фінансах, обороні та управлінні даними такі мережі можуть запропонувати більш безпечні з’єднання завдяки притаманній секретності квантових методів, коли будь-яке втручання стає помітним одразу.

Більш широке застосування

Можливість підтримувати квантові з’єднання без встановлення спеціальних кабелів робить багато нових ідей більш життєздатними. Розподілені квантові обчислення, які ґрунтуються на з’єднанні кількох квантових комп’ютерів у різних місцях, було б простіше створити. Завдання вимірювання відстані та передова метрологія також можуть виграти від більш стабільних квантових зв’язків. Навіть за межами обчислень, квантові мережі мають потенціал для стимулювання нових технологій у шифруванні, зображенні та фундаментальних фізичних експериментах. Дослідники також обговорювали використання квантової заплутаності для синхронізації віддалених годинників або обміну випадковими числами для криптографії з безпрецедентним рівнем безпеки.

Значення квантової телепортації

Квантова телепортація перетворилася із захоплюючої теорії в інструмент, який стає більш практичним. Хоча інтегрувати делікатні квантові сигнали ніколи не буває просто, досягнення Північно-Західної групи підвищують впевненість у тому, що така інтеграція цілком досяжна. Багато експертів вважають, що будівництво спеціалізованої інфраструктури було неминучим коштом квантових мереж. Згідно зі звітом Кумара, якщо довжини хвиль підібрані ретельно, класичні сигнали та квантова інформація можуть чудово співіснувати. Такий спосіб мислення позбавляє організації від встановлення абсолютно нових кабельних мереж.

Майбутня робота над квантовою телепортацією

У майбутній роботі дослідники планують розширити сферу застосування свого підходу на більш довгі сегменти, щоб підтвердити, що метод залишається стабільним, оскільки кабелі простягаються далеко за межі лабораторії. Вони також розроблять демонстрацію з кількома вузлами, щоб переконатися, що він може працювати з більш ніж одним посиланням.

Є багато хвилювання, що існуючі канали зв’язку, як тільки вони правильно налаштовані, зможуть передавати квантові дані у віддалені точки. З такими можливостями на горизонті квантова телепортація може перетворитися з теоретичної концепції на інструмент, який трансформує комунікацію. У майбутньому квантові та класичні мережі можуть працювати пліч-о-пліч способами, які колись здавалися малоймовірними. Дослідження опубліковано в журналі Optica.