Квантовый интернет становится реальностью: сигнал передали на десятки километров по обычному оптоволокну
Сразу три отдельные исследовательские группы из США, Китая и Нидерландов продемонстрировали прототип квантового интернета, когда передача данных происходила по реальному городскому оптоволокну. В экспериментах объекты находятся на расстоянии нескольких километров друг от друга. Эти эксперименты являются важным шагом на пути к квантовому интернету.
Квантовый интернет позволит любым двум пользователям установить связь, которую практически нельзя взломать. Но это только одно из преимуществ. Квантовый интернет позволит соединить отдельные квантовые компьютеры в одну большую и мощную машину, позволит строить оптические телескопы с виртуальным зеркалом в сотни километров и многое другое.
Два исследования были опубликованы в журнале Nature (работа Гарвардского университета, работа Китайского университета науки и техники, Хэфэй). Третье исследование Делфтского технологического университета, Нидерланды опубликовано на сайте препринтов arXiv.
Как построить квантовый интернет
Многие технические шаги по созданию квантового интернета были продемонстрированы в лабораториях за последнее десятилетие. Исследователи показали, что они могут создавать запутанные фотоны, используя лазеры в прямой видимости друг друга — либо в разных местах на земле, либо на земле и в космосе.
Но выход из лаборатории в обычную городскую среду очень многое меняет, говорит Рональд Хэнсон, физик, который руководил голландским экспериментом. Исследователи согласны в том, что для построения реальной крупномасштабной сети, придется использовать существующее оптоволокно. Проблема в том, что квантовая информация крайне хрупкая и ее нельзя скопировать. Ее переносят отдельные фотоны, а не лазерные импульсы, которые можно принять, усилить и передать дальше. А всякий сигнал передаваемый по реальным сетям неизбежно затухает.
Это ограничивает запутанность фотонов расстоянием в несколько десятков километров. Дальше — сигнал рассеивается. «На них также влияют изменения температуры в течение дня — и даже ветер, если оптоволокно над землей. Вот почему создание запутанности в реальном городе — это трудное дело», — говорит физик Трейси Нортап из Университета Инсбрука в Австрии.
Квантовый усилитель
В каждой из трех демонстраций использовались разные виды устройств «квантовой памяти» для хранения кубита — физической системы, такой как фотон или атом, которая может находиться в одном из возможных состояний — «1», «0» или в «квантовой суперпозиции» этих двух возможностей. Но главная проблема не в том, как сохранить состояние — этому физики уже научились, а в том как это состояние передать без затухания по реальным сетям.
Китайский физик Пань Цзянь-Вей подсчитал, что при нынешних темпах к концу десятилетия его команда сможет создать запутанность более чем 1000 километров оптических волокон, используя около десяти промежуточных узлов для усиления сигнала. Ученые называют эту процедуру «заменой запутанности». Ученые отмечают, что поначалу такая связь будет очень медленной: усилитель будет создавать одну запутанность в секунду. Но сейчас главное не скорость. Нужно принципиальное решение для такого квантового усилителя.
«Мы действительно сделали шаг из лаборатории в поле», — говорит Хэнсон. «Это еще не значит, что это коммерчески полезная сеть, но это большой шаг в правильном направлении».