Первая в мире мультиузловая сеть приблизила нас к квантовому Интернету
Ученые приблизились на один шаг к квантовому Интернету, создав первую в мире мультиузловую квантовую сеть.
Исследователи из центра QuTech в Нидерландах создали систему, которая состоит из трех квантовых узлов, запутанных жуткими законами квантовой механики, которые управляют субатомными частицами. Впервые более двух квантовых битов или «кубитов», которые выполняют вычисления в квантовых вычислениях, были связаны вместе как «узлы» или конечные точки сети.
Исследователи ожидают, что первые квантовые сети откроют множество вычислительных приложений, которые не могут быть выполнены существующими классическими устройствами, например, более быстрые вычисления и улучшенная криптография.
«Это позволит нам соединять квантовые компьютеры для увеличения вычислительной мощности, создавать сети, которые нельзя взломать, и соединять атомные часы и телескопы вместе с беспрецедентным уровнем координации», — сказал Маттео Помпили, член исследовательской группы QuTech, создавшей сеть в Технологическом университете Делфта.
Во многом так же, как традиционный компьютерный бит является основной единицей цифровой информации, кубит является основной единицей квантовой информации. Как и бит, кубит может иметь значение 1 или 0, что соответствует двум возможным позициям в системе с двумя состояниями.
Но на этом сходство заканчивается. Благодаря странным законам квантового мира кубит может существовать в суперпозиции состояний 1 и 0 до момента измерения, когда он случайным образом схлопнется либо до 1, либо до 0. Это странное поведение является ключом, к мощности квантовых вычислений, поскольку он позволяет кубиту выполнять несколько вычислений одновременно.
Самая большая проблема в соединении этих кубитов в квантовую сеть заключается в создании и поддержании процесса, называемого запутанностью, или того, что Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».
Когда два кубита становятся связанными, связывая свои свойства, так что любое изменение в одной частице вызывает изменение в другой, даже если они разделены огромными расстояниями.
Вы можете запутывать квантовые узлы множеством способов, но один общий метод работает, сначала запутывая неподвижные кубиты (которые образуют узлы сети) с фотонами или световыми частицами, прежде чем фотоны стреляют друг в друга. Когда они встречаются, два фотона также запутываются, запутывая кубиты. Это связывает два неподвижных узла, разделенных расстоянием. Любое изменение одного из них отражается мгновенным изменением другого.
«Жуткое действие на расстоянии» позволяет ученым изменять состояние частицы, изменяя состояние ее удаленного спутанного партнера, эффективно телепортируя информацию на большие расстояния.
Ученые создали сеть с тремя узлами, в которой фотоны по существу «передают» запутанность от кубита в одном из внешних узлов к одному в среднем узле. В среднем узле есть два кубита — один для получения запутанного состояния, а другой для его хранения.
Как только запутанность между одним внешним узлом и средним узлом сохранена, средний узел запутывает другой внешний узел своим запасным кубитом. После всего этого средний узел запутывает два своих кубита, в результате чего кубиты внешних узлов запутываются.
Чтобы создать запутанные фотоны и направить их в узлы правильным образом, исследователям пришлось использовать сложную систему зеркал и лазерного света. По-настоящему сложная часть заключалась в технологической проблеме уменьшения шума в системе, а также в обеспечении идеальной синхронизации всех лазеров, используемых для генерации фотонов.
Трехузловая система особенно полезна, поскольку кубит памяти позволяет исследователям устанавливать запутанность между узлами сети, а не делать все это одновременно. Как только это будет сделано, информация может передаваться по сети.
«Прямо сейчас все наши узлы находятся в пределах от 10 до 20 метров друг от друга», — сказал Помпили.
Исследователи опубликовали свои выводы 16 апреля в журнале Science.
