Дослідники з усього світу працюють над створенням мережі, яка могла б з’єднати квантові комп’ютери один з одним на великих відстанях. Андреас Райзерер, професор квантових мереж Мюнхенського технічного університету (TUM), пояснює, з якими проблемами потрібно подолати, і як можуть допомогти атоми, захоплені кристалами.
Професоре Райзерер, що таке квантовий Інтернет і чим він відрізняється від класичного Інтернету, яким ми його знаємо?
Ідея та сама: ми використовуємо сьогоднішній Інтернет, щоб з’єднувати комп’ютери один з одним, тоді як квантовий Інтернет дозволяє квантовим комп’ютерам спілкуватися один з одним. Але з технічної точки зору квантовий Інтернет набагато складніший. Тому поки що реалізовані лише менші мережі.
Навіщо нам квантова мережа?
Є два основних застосування: по-перше, об’єднання квантових комп’ютерів у мережу дозволяє збільшити їх обчислювальну потужність; по-друге, квантова мережа зробить абсолютно захищеним від перехоплення шифрування зв’язку. Але є й інші програми, наприклад, мережеві телескопи для досягнення раніше неможливої роздільної здатності, щоб заглянути в глибини Всесвіту, або можливість надзвичайно точно синхронізувати атомний годинник у всьому світі, що дає змогу досліджувати абсолютно нові фізичні запитання.
Як квантові комп’ютери обмінюються інформацією?
Здебільшого точно так само, як і в класичному Інтернеті: за допомогою фотонів. Ці фотони передаються через оптичні кабелі. У класичному Інтернеті використовуються дуже сильні сигнали, світлові імпульси , що складаються з мільярдів фотонів. Тут інформація передається за допомогою двійкового коду: світло горить або горить, подібно до азбуки Морзе.
Однак квантовий Інтернет інший: він усе ще використовує двійковий код, але інформація передається не світловими імпульсами з багатьма фотонами, а окремими фотонами. Це дає можливість передавати квантово-механічні стани, які несуть надзвичайно великі обсяги інформації.
Чому так складніше побудувати квантовий Інтернет?
Фотони втрачаються на шляху через оптичний кабель. У звичайній мережі сигнали можна легко посилити за допомогою повторювачів, які додають більше фотонів до світлових імпульсів. Але в квантовому Інтернеті, якщо втрачається один фотон, уся передана інформація безповоротно знищується. Цей тип втрат є найбільшою проблемою при побудові функціональної мережі. Її можна вирішити за допомогою квантових повторювачів, над якими зараз працює моя група.
З якими викликами ви стикаєтеся?
Передача на короткі відстані вже працює дуже добре. Однак втрати зростають експоненціально зі збільшенням відстані. Щоб побудувати квантові повторювачі, ми розбиваємо загальну відстань на безліч маленьких підсегментів. Буфери, фактично маленькі квантові комп’ютери, зберігають квантовий стан після кожного підсегменту, доки фотон не буде передано до наступного підсегмента.
Тоді так звана квантова телепортація може бути використана для подальшого «пересилання» інформації переданому фотону. Для цього потрібні ефективні маленькі квантові комп’ютери, які ми зараз розробляємо.
Як виглядають ці маленькі квантові комп’ютери?
Найкращі досліджені системи використовують окремі атоми, які захоплюються у вакуумі лазерним світлом і охолоджуються до дуже низьких температур. Однак цей підхід вимагає цілої лабораторії, повної оптичних компонентів, що ускладнює реалізацію цього підходу в невеликих масштабах.
Замість цього ми використовуємо кристали кремнію, в які окремі атоми вставлені й, можна сказати, захоплені кристалом. Атоми ербію, які ми використовуємо, зберігають свої квантово-механічні властивості за цих умов. Ця структура також вимагає низьких температур, але технічно вона набагато, набагато простіше.
Ми змогли показати, що ця система в принципі працює і що атоми ербію, коли вони збуджені, генерують фотони, які придатні для транспортування квантової інформації. Основна перевага полягає в тому, що ми можемо створити тисячі або навіть мільйони таких структур на одному кремнієвому чіпі.
Чому це важливо?
Необхідність буферизації в ретрансляторах означатиме, що транспортування інформації з одного місця в інше займе дуже багато часу. Щоб досягти більшої швидкості, ми використовуємо так зване мультиплексування. Це означає, що процес виконується якомога більше разів паралельно. Наша технологія робить це можливим, і ми вже працюємо над реалізацією.
Чи всі ми будемо використовувати квантовий Інтернет у майбутньому?
Ситуація може виявитися схожою на класичний Інтернет: спочатку навряд чи хтось міг уявити, що сьогодні всі будуть ходити з доступом до Інтернету в кишенях, використовувати супутники для визначення нашого розташування та навігації за допомогою Інтернету. Що стосується квантового Інтернету, ми все ще перебуваємо на дуже ранній стадії.
Наше поточне дослідження все ще стосується основ, розглядаючи такі речі, як: чи можемо ми з’єднати ці системи? Чи зможемо ми поширити квантові стани по всьому світу? Потенціал такого типу системи, про який ми знаємо сьогодні, уже стане революційним для деяких сфер, і я впевнений, що буде дуже багато застосувань, про які сьогодні ніхто навіть не думає. Джерело
