Меню категорий
SharesPro
29.03.2020 18:46
0
Исследователи открыли недостающее звено для квантового интернета

Квантовый интернет может использоваться для отправки сообщений, которые не могут быть взломаны, повышения точности GPS и произведения облачных квантовых вычислений. На протяжении более двадцати лет мечты о создании такой квантовой сети в значительной степени оставались недосягаемыми из-за трудности отправки квантовых сигналов на большие расстояния без потерь качества.

Теперь исследователи из Гарварда и Массачусетского технологического института нашли способ исправить потерю сигнала с помощью прототипа квантового узла, который может улавливать, хранить и запутывать биты квантовой информации.  Исследование является недостающим звеном на пути к практическому квантовому интернету и крупным шагом вперед в развитии междугородных квантовых сетей.

«Эта демонстрация является концептуальным прорывом, который может расширить максимально возможный диапазон квантовых сетей и потенциально обеспечить новые возможности для многих приложений способом, который невозможен при использовании любых существующих технологий, — сказал Михаил Лукин, профессор физики в Университете им. Джорджа Фасмера Леверетта и соавтор Гарвардской квантовой инициативы. — Это реализация цели, которую наше сообщество квантовой науки и техники преследует более двух десятилетий».

Все виды коммуникационных технологий — от первого телеграфа до современного оптоволоконного интернета — должны были учитывать тот факт, что сигналы ухудшаются и теряются при передаче на большие расстояния. Первые ретрансляторы, которые принимают и усиливают сигналы, чтобы исправить эту потерю, были разработаны для усиления сигналов телеграфа с замиранием проводов в середине 1800-х годов.  Спустя двести лет ретрансляторы являются неотъемлемой частью нашей инфраструктуры дальней связи.

В случае классической сети, если Алиса в Нью-Йорке хочет отправить Бобу в Калифорнии сообщение, сообщение перемещается от побережья к побережью более или менее по прямой линии. По пути сигнал проходит через повторители, где он считывается, усиливается и исправляется на наличие ошибок. Весь процесс в любой момент уязвим для атак.

Однако, если Алиса хочет отправить квантовое сообщение, процесс будет другим. Квантовые сети используют квантовые частицы света — отдельные фотоны — для передачи квантовых состояний света на большие расстояния. У этих сетей есть хитрость, которой нет у классических систем, — запутанность.

Запутывание — то, что Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии» — позволяет битам информации быть идеально коррелированными на любом расстоянии.  Поскольку квантовые системы не могут наблюдаться без изменений, Алиса могла бы использовать запутывание для сообщения Бобу, не опасаясь желающих подслушать. Это понимание является основой для таких приложений, как квантовая криптография — это безопасность, которая гарантирована законами квантовой физики. Однако на квантовую связь на больших расстояниях также влияют обычные потери фотонов, которые являются одним из основных препятствий для реализации крупномасштабного квантового интернета. Но тот же физический принцип, который делает квантовую связь сверхбезопасной, также делает невозможным использование существующих классических ретрансляторов для устранения потери информации.

Как вы можете усилить и исправить сигнал, если вы не можете прочитать его?  Решение этой, казалось бы, невозможной задачи предполагает разработку так называемого квантового ретранслятора. В отличие от классических повторителей, которые усиливают сигнал через существующую сеть, квантовые повторители создают сеть запутанных частиц, через которые может передаваться сообщение.

По сути, квантовый ретранслятор — это небольшой специализированный квантовый компьютер. На каждом этапе такой сети квантовые повторители должны иметь возможность улавливать и обрабатывать квантовые биты квантовой информации для исправления ошибок и сохранять их достаточно долго, чтобы остальная часть сети была готова. До сих пор это было невозможно по двум причинам: во-первых, одиночные фотоны очень трудно уловить. Во-вторых, квантовая информация общеизвестно хрупка, что делает ее очень сложной для обработки и хранения в течение длительных периодов времени.

Лаборатория Лукина, в сотрудничестве с Марко Лонкаром (Marko Loncar), профессором электротехники Тяньцай Лин в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS), а также Хонгкуном Парком (Hongkun Park), профессором химии Гарвардского факультета искусств и наук (FAS), и Дирком Энглундом (Dirk Englund), доцентом кафедры электротехники и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте (MIT), работают над системой, которая сможет хорошо выполнять обе эти задачи — над цветными центрами алмазов.

Эти центры представляют собой крошечные дефекты в атомной структуре алмаза, которые могут поглощать и излучать свет, придающие блестящие цвета алмазам.

«В течение последних нескольких лет наши лаборатории работали над пониманием и контролем отдельных кремниевых цветовых центров, особенно над тем, как использовать их в качестве устройств квантовой памяти для одиночных фотонов», — сказал Михир Бхаскар (Mihir Bhaskar), аспирант группы Лукина.

Исследователи интегрировали отдельный цветовой центр в полость из алмазной нанотрубки, которая ограничивает информационные фотоны и заставляет их взаимодействовать с единым цветным центром. Затем они поместили устройство в холодильник, который достигает температуры, близкой к абсолютному нулю, и отправили отдельные фотоны по оптоволоконным кабелям в холодильник, где они были эффективно уловлены центром цвета. Устройство может хранить квантовую информацию в течение миллисекунд — это достаточно долго для передачи информации на тысячи километров. Электроды, встроенные вокруг полости, использовались для подачи управляющих сигналов для обработки и сохранения информации, хранящейся в памяти.

«Это устройство сочетает в себе три наиболее важных элемента квантового повторителя — длинную память, способность эффективно улавливать информацию от фотонов и способ ее локальной обработки, — сказал Барт Мачиелсе (Bart Machielse), аспирант Лаборатории наноразмерной оптики. — Каждая из этих проблем была решена отдельно, но ни одно устройство не объединило решения всех трех».

«В настоящее время мы работаем над расширением этого исследования, внедряя наши квантовые разработки в реальные городские волоконно-оптические линии связи, — сказал Ральф Ридингер (Ralf Riedinger), кандидат наук в группе Лукина. — Мы планируем создать большие сети запутанных квантовых сетей и исследовать первые приложения квантового интернета».

«Это первая демонстрация на системном уровне, объединяющая основные достижения в области нанотехнологий, фотоники и квантового управления, которая демонстрирует явное квантовое преимущество при передаче информации с использованием узлов квантового повторителя. Мы с нетерпением ждем начала изучения новых уникальных приложений, использующих эти методы», — сказал Лукин.

Подписывайтесь на SharesPro в социальных сетях:
Telegram: https://t.me/sharespro
Instagram: https://www.instagram.com/sharespro/

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Получить консультацию