Квантовият интернет е един инч по-близо с напредъка в дистанционното предаване на данни

От Санта Барбара, Калифорния, до Хефей, Китай, учените разработват нов тип компютър, който прави днешните машини повече като игри.

Използвайки мистериозните сили на квантовата механика, технологията ще изпълнява задачи за минути, които дори суперкомпютрите не са били в състояние да изпълнят от хиляди години. През есента на 2019 г. Google разкри файл експериментален квантов компютър Оказва се, че това е възможно. Две години по-късно лаборатория в Китай направи същото.

Но квантовите изчисления не биха достигнали своя потенциал без помощта на друг технологичен пробив. Той го нарече „квантов интернет“ – компютърна мрежа, която може да изпраща квантова информация между отдалечени машини.

В Технологичния университет Делфт в Холандия екип от физици направи важна стъпка към такава компютърна мрежа на бъдещето, използвайки техника, наречена квантова телепортация, за изпращане на данни през три физически места. Преди това беше възможно само с две.

Новият експеримент показва, че учените могат да разширят квантова мрежа в нарастващ брой обекти. „Сега изграждаме малки квантови мрежи в лабораторията“, каза Роналд Хансън, физик от Делфт, който ръководи екипа. „Но идеята е в крайна сметка да се изгради квантов интернет.“

Тяхното изследване беше разкрито тази седмица с Изследователска статия, публикувана в научното списание Nature, демонстрира силата на явление, което Алберт Айнщайн смята за невъзможно. Квантова телепортация – как се казвадистанционната работа е страшна„Информацията може да се прехвърля между сайтове, без да се прехвърля физическият материал, който съдържа.

Тази технология може дълбоко да промени начина, по който данните пътуват от едно място на друго. Тя се основава на повече от век изследвания, включващи квантовата механика, област на физиката, която управлява субатомния свят и се държи различно от всичко, което изпитваме в ежедневния си живот. Квантовата телепортация не само предава данни между квантовите компютри, но също така прави това по начин, който никой не може да прихване.

„Това не само означава, че квантовият компютър може да реши проблема ви, но също така не знае какъв е проблемът“, казва Трейси Елинор Нортъп, изследовател от Института по експериментална физика към Университета в Инсбрук, която също изследва квантовите телепортация. „Днес не работи така. Google знае какво изпълнявате на сървърите му.“

Квантовият компютър щраква върху странните начини, по които някои неща се държат, ако са много малки (като електрон или частица светлина) или изключително студени (като странен метал, който се охлажда до почти абсолютна нула или минус 460 градуса по Фаренхайт). В тези случаи един обект може да се държи като два отделни обекта едновременно.

Традиционните компютри извършват изчисления, като обработват „битове“ информация, като всеки бит съдържа или 1, или 0. Използвайки особеното поведение на квантовата механика, квантовият бит или кубит може да съхранява комбинация от 1 и 0 — малко като как Въртящата се монета съдържа примамливата възможност да се появи или като глава, или опашка, когато накрая падне на масата.

Това означава, че два кубита могат да държат четири стойности наведнъж, три кубита могат да държат осем, четири могат да държат 16 и така нататък. С нарастването на броя на квантовите кубити квантовият компютър става все по-мощен.

Изследователите вярват, че тези устройства един ден биха могли да ускорят създаването на нови лекарства, като постигат енергиен напредък в изкуствения интелект и Хакерско криптиране, което защитава компютрите, жизненоважни за националната сигурност. По целия свят правителства, академични лаборатории, стартиращи компании и технологични гиганти харчат милиарди долари в проучване на технологиите.

През 2019 г. Google обяви Че неговият хардуер е достигнал това, което учените наричат ​​“квантово надмощие“, което означава, че може да изпълнява експериментална задача, която е била невъзможна с конвенционалните компютри. Но повечето експерти смятат, че ще минат поне още няколко години, преди един квантов компютър да направи нещо полезно, което вие не можете да направите с друга машина.

Част от предизвикателството е, че кубитът се счупва или „разглобява“, ако четете информация от него – той става обикновен бит, способен да съдържа само 0 или 1, но не и двете. Но чрез свързване на много кубити заедно и разработване на начини за предпазване от декохерентност, учените се надяват да създадат мощни, но практични машини.

В крайна сметка, в идеалния случай тези мрежи биха били присъединени към мрежи, които могат да изпращат информация между възли, което позволява да се използва отвсякъде, точно както облачните изчислителни услуги от като Google и Amazon правят процесорната мощност широко достъпна днес.

Но това идва със своите проблеми. Отчасти поради декохерентността, квантовата информация не може да бъде копирана и предавана по традиционна мрежа. Квантовата телепортация предоставя алтернатива.

Въпреки че не може да премества обекти от едно място на друго, то може да прехвърля информация, като се възползва от квантово свойство, наречено „заплитане“: всяка промяна в състоянието на квантова система, която незабавно засяга състоянието на друга система, която е далеч.

„След кросоувъра вече не можете да опишете тези състояния поотделно“, каза д-р Нортъп. „По същество това вече е една система.“

Тези заплетени системи могат да бъдат електрони, светлинни частици или други неща. В Холандия д-р Хансън и неговият екип използваха това, което се нарича празен азотен център – малко празно пространство в синтетичен диамант, където електроните могат да бъдат уловени.

Екипът изгради три от тези квантови системи, наречени Алис, Боб и Чарли, и ги завърза в една линия с оптични нишки. След това учените могат да заплетат тези системи, като изпращат отделни фотони – частици светлина – между тях.

Първо, изследователите заплитаха два електрона – единият на Алис, а другият на Боб. Всъщност на електроните е даден един и същ спин и по този начин са свързани или заплетени в общо квантово състояние, като всеки съхранява една и съща информация: определена комбинация от 1 и 0.

След това изследователите могат да прехвърлят това квантово състояние в друг кубит, въглеродното ядро, в синтетичния диамант на Боб. Това освободи електрона на Боб и изследователите биха могли да го свържат с друг електрон, принадлежащ на Чарли.

Чрез извършване на специфична квантова операция върху всеки от кубитите на Боб – електрона и въглеродното ядро ​​- изследователите могат след това да залепят двете заплитания заедно: Алис и Боб са залепени за Боб и Чарли.

Резултатът: Алис беше заплетена с Чарли, позволявайки на данните да се телепортират незабавно през всичките три възела.

Когато данните пътуват по този начин, без реално да изминават разстоянието между възлите, те не могат да бъдат загубени. „Информацията може да бъде въведена от едната страна на връзката и след това да се покаже от другата“, каза д-р Хансън.

Информацията също не може да бъде прихващана. Квантовият интернет на бъдещето, задвижван от квантова телепортация, може да осигури нов тип теоретично неразбиваема криптография.

В новия експеримент възлите на мрежата не бяха далеч един от друг – само на около 60 фута. Но предишни експерименти показаха, че квантовите системи могат да се заплитат на по-големи разстояния.

Надеждата е, че след още няколко години изследвания, квантовата телепортация ще бъде жизнеспособна на много мили. „Сега се опитваме да го направим извън лабораторията“, каза д-р Хансън.