Вчені знайшли магічне число для збереження квантових мереж

Дослідники з Northwestern знайшли спосіб підтримувати функціонування квантових мереж, незважаючи на властиву квантовим зв’язкам нестабільність. Стратегічно додаючи зв’язки, вони продемонстрували, що мережі можна підтримувати з набагато меншою кількістю нових з’єднань, ніж очікувалося, запропонувавши ефективнішу модель квантового зв’язку.

Квантові мережі та заплутані фотони

Заплутані фотони мають величезний потенціал для квантових обчислень і комунікацій, але вони супроводжуються серйозною проблемою — коли вони використовуються, вони зникають. У новому дослідженні, опублікованому 23 січня в Physical Review Letters, фізики з Північно-західного університету представили новий підхід до підтримки зв’язку в постійно мінливих і непередбачуваних квантових мережах. Їхні дослідження показують, що шляхом стратегічного відновлення втрачених з’єднань мережа може зрештою досягти стабільного, хоча й зміненого стану.

Балансування підключень Quantum Network

На думку дослідників, ключ до підтримки функціонування квантової мережі полягає в додаванні потрібної кількості з’єднань. Додавання занадто великої кількості з’єднань може призвести до перевантаження ресурсів, що зробить систему неефективною, тоді як додавання занадто малої кількості з’єднань може зробити мережу фрагментованою та нездатною задовольнити вимоги користувачів. Ці висновки можуть прокласти шлях до розробки оптимізованих квантових мереж, які забезпечать надшвидкісні обчислення та високобезпечний зв’язок.

«Багато дослідників докладають значних зусиль для створення більших і кращих квантових комунікаційних мереж по всьому світу», — сказав Іштван Ковач з Northwestern, старший автор дослідження. «Але як тільки квантова мережа відкривається для користувачів, вона згорає. Це як перейти міст, а потім спалити його за собою. Без стороннього втручання мережа швидко демонтується. Щоб вирішити цю проблему, ми розробили просту модель користувачів. Після кожної події зв’язку ми додавали фіксовану кількість мостів або з’єднань між від’єднаними вузлами. Додаючи достатньо велику кількість посилань після кожної комунікаційної події, ми підтримували підключення до мережі».

Експерт у складних системах, Ковач є доцентом фізики та астрономії в Північно-Західному коледжі мистецтв і наук Вайнберга.

Проблема квантової заплутаності в комунікаціях

Квантові мережі працюють, використовуючи квантову заплутаність, явище, у якому дві частинки пов’язані, незалежно від відстані між ними. Xiangi Meng, експерт із квантової комунікації та один із перших авторів дослідження, описує заплутаність як «моторошний», але ефективний ресурс. Під час дослідження Менг був науковим співробітником у групі Ковача, але зараз є доцентом фізики в Політехнічному інституті Ренсселера в Нью-Йорку.

«Квантова заплутаність — це моторошна кореляція між квантовими частинками, яка суперечить простору-часу», — сказав Менг. «Це ресурс, який дозволяє квантовим частинкам спілкуватися одна з одною, щоб вони могли разом виконувати складні завдання, гарантуючи, що жоден підслухувач не зможе перехопити їхні повідомлення».

Однак, коли два комп’ютери спілкуються за допомогою заплутаних з’єднань, зв’язки, задіяні в цьому зв’язку, зникають. Сам акт спілкування змінює квантовий стан зв’язку, роблячи його непридатним для подальшого спілкування.

«У класичних комунікаціях інфраструктура має достатньо можливостей для обробки багатьох, багатьох повідомлень», — сказав Ковач. «У квантовій мережі кожне посилання може надсилати лише один фрагмент інформації. Потім він розвалюється».

Розробка стійких квантових мереж

Щоб краще зрозуміти, як мережі поводяться під час постійних змін, Ковач і його команда створили спрощену модель користувачів у квантовій мережі. По-перше, дослідники дозволили користувачам випадковим чином вибирати інших користувачів, з якими спілкуватися. Потім вони знайшли найкоротший і найефективніший шлях зв’язку між цими користувачами та видалили всі посилання на цьому шляху. Це створило «перколяцію шляху», коли мережа поступово ламається з кожною подією зв’язку.

Дослідивши цю проблему, Ковач і його команда спробували запропонувати рішення. Завдяки моделюванню вони знайшли точну кількість посилань, які потрібно додати після кожної комунікаційної події. Це число знаходиться на критичній межі між підтриманням мережі та розривом мережі. Дивно, але команда виявила, що критичне число є просто квадратним коренем із кількості користувачів. Якщо, наприклад, є 1 мільйон користувачів, то потрібно повторно додати 1000 посилань на кожен 1 кубіт інформації, що надсилається через мережу.

«Було б природно очікувати, що це число зростатиме лінійно з кількістю користувачів або, можливо, навіть квадратично, як кількість пар користувачів, які можуть спілкуватися», — сказав Ковач. «Ми виявили, що критичне число насправді є дуже малою часткою порівняно з кількістю користувачів. Але якщо ви додасте менше, мережа розвалиться, і люди не зможуть спілкуватися».

Ковач передбачає, що ця інформація потенційно може допомогти іншим розробити оптимізовану, надійну квантову мережу, яка може терпіти збої. Нові посилання можуть додаватися автоматично, коли інші посилання зникають, створюючи більш стійку мережу.

«Класичний Інтернет не створювався, щоб бути повністю надійним», — сказав Ковач. «Це природно виникло через технологічні обмеження та поведінку користувачів. Це не було задумано, це просто сталося. Але тепер ми можемо зробити краще з квантовим Інтернетом. Ми можемо спроектувати його так, щоб він повністю реалізував свій потенціал».