Мы все ближе к квантовому Интернету. Но что это такое?

Еще в феврале 2020 года ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета обнаружили, что они достигли квантовой запутанности — в которой поведение пары двух крошечных частиц становится связанным, так что их состояния идентичны – это произошло в 83,7 километровой сети с квантовыми петлями в пригороде Чикаго.

Вам может быть интересно, о чем весь этот шум, если вы не ученый, знакомый с квантовой механикой — то есть с поведением материи и энергии в наименьшем масштабе реальности, который особенно отличается от мира, который мы можем видеть вокруг нас.

Подвиг исследователей может стать важным шагом в разработке новой, гораздо более мощной версии Интернета в ближайшие несколько десятилетий. Вместо битов, которые использует современная сеть, которые могут выражаться только значениями 0 или 1, будущий квантовый Интернет будет использовать кубиты квантовой информации, которые могут принимать бесконечное число значений. (Кубит — это единица информации для квантового компьютера).

Это дало бы квантовому интернету большую пропускную способность, что позволит подключать сверхмощные квантовые компьютеры и другие устройства и запускать приложения, которые просто невозможны с имеющимся у нас Интернетом.

«Квантовый Интернет станет платформой квантовой экосистемы, в которой компьютеры, сети и датчики обмениваются информацией принципиально новым образом, в котором зондирование, общение и вычисления в буквальном смысле работают вместе как одно целое», — объясняет Дэвид Аушалом, профессор спинтроники и квантовой информации в Школе молекулярной инженерии Притцкера в Чикагском университете и старший научный сотрудник в Аргонне, который руководил проектом квантовой петли.

Что такое квантовый интернет?

Так зачем нам он и что он делает? Для начала, квантовый интернет не является заменой обычного интернета, который у нас сейчас есть. Скорее это дополнение к нему. Он мог бы позаботиться о некоторых проблемах, которые мешают нынешнему интернету. Например, квантовый интернет обеспечит большую защиту от хакеров и киберпреступников. Прямо сейчас, если Алиса в Нью-Йорке отправляет сообщение Бобу в Калифорнии через Интернет, это сообщение проходит более или менее по прямой линии от одного побережья к другому. Попутно сигналы, которые передают сообщение, ухудшаются; повторители читают сигналы, усиливают и исправляют ошибки. Но этот процесс позволяет хакерам «взломать» и перехватить сообщение.

У квантовых сообщений нет этой проблемы. Квантовые сети используют частицы легких фотонов для отправки сообщений, которые не подвержены кибератакам. По словам Рэя Ньюэлла, исследователя из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, вместо того, чтобы шифровать сообщение с использованием математической сложности, мы будем полагаться на особые правила квантовой физики. С квантовой информацией, «вы не можете скопировать или разделить ее, и вы даже не можете посмотреть на нее, не изменив ее». Фактически, просто попытка перехватить сообщение уничтожает сообщение, как отмечает журнал Wired. Это позволило бы сделать все намного более безопасным, чем доступно сегодня.

«Самый простой способ понять концепцию квантового интернета — это концепция квантовой телепортации», — говорит Сумит Хатри, исследователь из Университета штата Луизиана в Батон-Руж. Он и его коллеги написали статью о возможности космического квантового интернета, в котором спутники будут непрерывно транслировать запутанные фотоны на поверхность Земли, как описано в статье «Обзор технологий».

«Квантовая телепортация не похожа на то, что может придумать ум не-ученого с точки зрения того, что они видят в научно-фантастических фильмах», — говорит Хатри. «В квантовой телепортации два человека, которые хотят общаться, совместно используют пару квантовых частиц, которые запутаны. Затем, посредством последовательности операций, отправитель может отправить любую квантовую информацию получателю (хотя это не может быть сделано быстрее, чем со скоростью света). Эта совокупность общего запутывания между парами людей во всем мире, по сути, составляет квантовый Интернет. Главный вопрос исследования заключается в том, как лучше всего распределить эти запутанные пары среди людей, распределенных по всему миру».

Как только это можно будет сделать в больших масштабах, квантовый Интернет станет настолько удивительно быстрым, что удаленные часы будут синхронизированы примерно в тысячу раз точнее, чем лучшие атомные часы, доступные сегодня, как пишет журнал Cosmos. Это сделало бы GPS-навигацию намного более точной, чем сегодня, и отобразило бы гравитационное поле Земли так подробно, чтобы ученые могли заметить пульсацию гравитационных волн. Это также могло бы позволить телепортировать фотоны из отдаленных телескопов видимого света по всей Земле и связать их в гигантскую виртуальную обсерваторию.

«Вы могли потенциально видеть планеты вокруг других звезд», — говорит Николас Питерс, руководитель группы квантовой информационной науки в Национальной лаборатории Ок-Риджа.

Проблемы построения квантового интернета.

Но прежде чем что-либо из этого может произойти, исследователи должны выяснить, как построить квантовый Интернет, и, учитывая странные особенности квантовой механики, это будет непросто. «В классическом мире вы можете кодировать информацию и сохранять ее, и она не разрушается», — говорит Питерс. «В квантовом мире вы кодируете информацию, и она начинает распадаться практически сразу».

Другая проблема состоит в том, что, поскольку количество энергии, которая соответствует квантовой информации, действительно мало, трудно удержать ее от взаимодействия с внешним миром. Сегодня «во многих случаях квантовые системы работают только при очень низких температурах», говорит Ньюэлл. «Другая альтернатива — работать в вакууме».

Ньюэлл говорит, что для создания квантовой интернет-функции нам понадобятся виды аппаратного обеспечения, которое еще не разработано. Поэтому сложно сказать, когда именно будет запущен квантовый интернет, хотя некоторые ученые предполагают, что это может произойти уже в 2030 году.