Квантовый Интернет только что прошел самое жесткое испытание в реальном мире — более 38 миль обычного кабеля
Если ученые смогут разработать сети на основе квантовой физики, потенциал огромен. Это могло бы повысить безопасность связи, объединить возможности квантовых компьютеров и помочь создать исследовательские инструменты следующего поколения.
Но ключевая проблема заключается в квантовом явлении, называемом запутанностью: способе, которым два объекта могут быть неразрывно связаны независимо от расстояния между ними.
Когда измеряется один из парных объектов, он определяет результаты измерения, произведенного на другом.
Пока это квантово, но провести запутанные частицы по существующим оптоволоконным каналам связи действительно сложно.
За пределами идеальных лабораторных условий их квантовое состояние легко искажается.
Теперь исследователям под руководством группы Национального института стандартов и технологий США (NIST) удалось успешно передать частицы света (фотоны) через 62 километра (38,5 миль) существующих сетевых кабелей, не нарушая их запутанности.
Их результаты опубликованы в Журнале оптических коммуникаций и сетей.
«Я бы назвал это стресс-тестом квантовых сетевых систем», — говорит физик Ичэн Ши из НИСТ.
«Мы провели экстремальное испытание в очень шумной среде. Удивительно, но оказалось, что это все же работает».
Хотя это, строго говоря, не рекордное расстояние, оно примечательно из-за установки: большая часть оптоволоконных кабелей, участвовавших в этом эксперименте, была проложена над землей, а не под землей, и натянута между уличными столбами между NIST и Университетом Мэриленда.
Эти кабели подвергаются воздействию ветра, изменений температуры и вибрации от всего, что их окружает, включая движение транспорта и пролетающих птиц.
Хотя потоковые фильмы и видеозвонки, составляющие данные классического Интернета, не подвержены этим условиям, квантовые данные определенно подвержены влиянию. Окружающая среда влияет на поляризацию фотонов, направление, в котором вибрирует их электрическое поле и в котором содержится информация о запутанности.
«Это настолько плохая связь, насколько это возможно», — говорит физик Оливер Слэттери из НИСТ.
Чтобы обойти эту проблему интерференции, исследователи использовали лазерный световой сигнал в качестве контрольной точки. Подсчитав, какое скручивание прошел этот лазерный свет, команда смогла применить соответствующие поправки к запутанным фотонам.
Требовалось некоторое чередование запутанных фотонов и лазерного света, но это заняло всего 7,2 процента рабочего времени в эксперименте. Остальные 92,8 процента можно использовать для отправки стабилизированной квантовой информации.
«Наши результаты демонстрируют возможность распределения поляризационно-запутанных фотонов по сложным условиям волокна, что является важным шагом на пути к практическому развертыванию квантовых сетей», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.
Рекордные достижения квантовой запутанности недавно прошли 420 километров оптического волокна, но эти последние результаты взяты из очень хаотичного реального мира.
«Хотя оптические волокна воздушного базирования обычно считаются неподходящими квантовыми каналами для передачи поляризационно-кодированных или поляризационно-запутанных фотонов, мы показываем, что стабильное распределение поляризационной запутанности достижимо, если оптоволоконная линия активно стабилизируется», — пишут исследователи.
Какими бы обнадеживающими ни были результаты этого реального испытания, впереди еще много работы делать. Скорость передачи 200–1500 запутанных фотонов в секунду неплохая, но ее необходимо улучшить для квантового Интернета.
Более быстрая настройка оборудования и более эффективные программные алгоритмы — это потенциальные улучшения, отмечают исследователи.
Исследование предоставляет больше доказательств того, что квантовые сети — это технология, которую стоит развивать. Один из способов его использования — соединить телескопы в двух разных точках Земли с помощью запутанных фотонов, позволяющих им работать по сути как один гигантский инструмент.
Эти системы также могут повысить квантовую безопасность Интернета. Сетевые узлы, расположенные на большом расстоянии друг от друга, могут использовать секретный «код» для проверки данных, который невозможно перехватить при передаче, потому что код не устанавливается до тех пор, пока он не будет проверен.
По теме: Первый квантовый материал такого рода, работающий при комнатной температуре, получен из атомов золота
«Это демонстрация того, что квантовые сетевые протоколы могут работать в реальных средах», — говорит Ши.
Исследование было опубликовано в журнале журнал оптических коммуникаций и сетей.
