Первая в истории успешная передача квантовой информации дает дорогу квантовому интернету

В 2024 г. ученые впервые смогли произвести, сохранить и восстановить квантовую информацию, что является ключевым шагом в создании квантовых сетей. Данное открытие, опубликованное в научном журнале Science Advances, стало возможным благодаря совместным усилиям исследователей из Университета Саутгемптона, Имперского колледжа в Лондоне и университетов Штутгарта и Вюрцбурга в Германии.

Квантовые сети имеют потенциал революционизировать многие области, такие как финансы, криптография и научные исследования. Но до апреля 2024 г. передача квантовой информации на большие расстояния до сих пор сопровождалась потерей данных. Решением стало создание системы, где информация сохраняется и восстанавливается в квантовой памяти, а затем передается с использованием обычных оптических волокон.

«Мы взволнованы тем, что нам впервые удалось соединить два ключевых устройства, что открывает дорогу к квантовому взаимодействию! Временная фильтрация излучения квантовых точек (КТ) была требованием в этой текущей демонстрации из-за времени жизни памяти, ограниченного допплеровским уровнем в 1 нс. Одним из способов преодоления этого ограничения является генерация более коротких по времени фотонов КТ посредством оптимизированных микроструктур КТ для дальнейшего усиления излучения по методу генерации излучения Смита-Парселла», — сказала доктор из Имперского колледжа в Лондоне Сара Томас (Sarah Thomas).

По информации из материала на Science Advances, эта система базируется на КТ, которая создает фотоны, они затем сохраняются в квантовой памяти на облаке атомов рубидия. Эта память может активироваться и деактивироваться с помощью лазера, позволяя управлять хранением и извлечением фотонов по требованию. Один из ключевых достижений заключается в совпадении длины волны фотонов с длиной волны, используемой в телекоммуникационных сетях, что делает возможным их передачу через стандартные волоконно-оптические кабели.

На 17 апреля 2024 г. команда исследователей продолжает развивать систему, намереваясь улучшить ее с помощью унификации длины волн всех фотонов, увеличения времени их хранения и снижения размеров всей системы.

Доктор Патрик Ледингем (Patrick Ledingham) из Университета Саутгемптон рассказал о том, что этот шаг является важным подтверждением концепции и успех в его реализации был достигнут благодаря сбору экспертов с необходимым специализированным оборудованием и их совместной работе над синхронизацией устройств. Ледингем добавил, что этот прорыв может стать началом новой эры в квантовых технологиях, поскольку он предоставляет основу для будущего квантового интернета. В этом новом поколении сетей безопасность и скорость передачи данных достигнут невиданных ранее высот. Связывание удаленных локаций и квантовых компьютеров является критически важной задачей для будущих квантовых сетей.

Разработкой квантовых вычислительных устройств на разных элементных базах занимаются практически все на апрель 2024 г. крупнейшие глобальные ИТ-корпорации: Google, Microsoft, Intel, IBM и другие.

По информации исследователей из Университета Саутгемптона, квантовые сети отличаются от классических сетей, использующих биты, байты и пакеты, где классическую информацию можно копировать и усиливать. На квантовую информацию распространяется действие теоремы о запрете клонирования, которая гласит, что квантовую информацию нельзя скопировать так, как это можно сделать с классическими данными. Это свойство делает квантовую информацию чрезвычайно безопасной, но усложняет передачу квантовой информации на очень большие расстояния.

Квантовая память является фундаментальная технология, позволяющая хранить и обрабатывать квантовую информацию в квантовых системах. Хотя квантовая память функционально аналогична памяти в классических компьютерах и сетях (она хранит данные), она работает принципиально по-другому принципу. Частично это связано с теоремой о запрете клонирования и тем фактом, что запутанность быстро декогерирует, что может привести к ухудшению качества кубитов и их непригодности для использования в таких приложениях, как вычисления и передача данных. Кубиты также существуют в нескольких состояниях, известных как суперпозиция. Это свойство обеспечивает сверхбезопасную передачу данных и экспоненциальную вычислительную мощность, но также требует устройства, уникального для квантовых приложений.

Квантовые сети на 2024 г. используют квантовую память несколькими способами для достижения различных целей.

Увеличение дальности связи — поскольку квантовая информация может декогерироваться, квантовая память имеет решающее значение для расширения радиуса действия безопасной системы квантовой связи на большие расстояния. Расширяя зону действия этих сетей, чтобы охватить большую географическую территорию, становится возможным соединять центры обработки данных (ЦОД), площадки, кампусы и местоположения на больших расстояниях. Квантовая память также может смягчить последствия потери сигнала в оптических волокнах.

Повышение безопасности — квантовая память повышает безопасность протоколов обмена ключами, которые могут быть реализованы в квантовых сетях, и способна смягчать атаки по побочным каналам на детекторы, что приводит к более безопасному распределению ключей на основе запутанности. Квантовая память обеспечивает возможность отложенного выбора QKD. Метод добавляет дополнительный уровень безопасности к процессу QKD, поскольку задержка с выбором основы измерения усложняет перехватчику возможность получить информацию о ключе, не будучи обнаруженным.

Квантовая обработка информации — квантовая память играет важную роль в задачах обработки информации. Такие возможности позволяют выполнять критически важные задачи, такие как исправление и очистка ошибок, а также хранение и манипулирование квантовыми состояниями для вычислений. Выполнение исправления ошибок и очистки повышает точность кубитов в сети.

Синхронизация и распределение квантовых состояний — в классических сетях эти процессы имеют решающее значение для обеспечения бесперебойной передачи данных. Например, при видеотрансляции на начало 2024 г. синхронизация и распределение происходят плавно, чтобы предотвратить потерю пакетов, дрожание и задержку. В квантовых сетях данные процессы еще более важны из-за хрупкости квантовых состояний, переносимых кубитами. Квантовая память способна выполнять хранение и обработку квантовой информации, что улучшает синхронизацию, детерминированную синхронизацию и операции операционной системы от начала до конца через несколько сетевых узлов вплоть до конечных точек внутри этой сети.

Квантовые протоколы связи — квантовые протоколы необходимы для реализации надежной квантовой сети. Эти протоколы используют уникальные свойства квантовых состояний, такие как суперпозиция и запутанность, для решения задач связи, которые либо невозможны, либо неэффективны с помощью классических методов. Способность квантовой памяти поддерживать квантовое состояние кубитов имеет решающее значение для различных задач квантовой связи.

Современная квантовая сеть на апрель 2024 г., основанная на запутанности, использует квантовую память в различных местах, чтобы обеспечить работу сети. Над проблемой проектирования многоузловой сети также работают исследователи из России, Китая, Италии и Канады.