Квантовые повторители для глобального квантового Интернета

Физика, которая заставляет квантовые компьютеры работать, очень чувствительна к возмущениям. В настоящее время это означает, что эти компьютеры с трудом могут обмениваться своими данными друг с другом на больших расстояниях, как это легко могут сделать классические компьютеры, когда промежуточные вычисления могут передаваться с одного сервера на другой на другом конце страны. Но в поддержку квантовых распределенных вычислений ученые разработали «квантовый повторитель», который может помочь соединить такие компьютеры по оптоволоконным кабелям, используемым сегодня телекоммуникационными компаниями. Новое исследование показывает, что это позволило бы квантовым компьютерам быть разделенными десятками, а теоретически и сотнями километров без необходимости использования спутниковой связи.

Квантовая физика делает возможным странное явление, известное как запутанность. По сути, две или более частицы, такие как фотоны, которые соединяются или «запутываются», теоретически могут влиять друг на друга, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Запутанность необходима для работы квантовых компьютеров, которые теоретически могут решать проблемы, которые никогда не мог решить обычный компьютер.

Квантовые сети могут соединить квантовые компьютеры, а также помочь обеспечить квантовую передачу сообщений, защищенных теоретически устойчивым к взлому квантовым шифрованием. Кроме того, они могут помочь чрезвычайно точным квантовым датчикам объединиться в массивы для еще большей точности во множестве приложений, например, для обнаружения скрытых подземных ресурсов и структур для горнодобывающей промышленности и армии.

«Как учёный, меня лично больше интересуют применения датчиков и то, какую информацию они могут дать о мире вокруг нас», — говорит старший автор исследования Бен Ланьон, квантовый физик из Университета Инсбрука в Австрии.

Оптическое волокно поддерживает гораздо большую пропускную способность; имеет меньшую задержку, поскольку может напрямую соединять две точки вместо отражения сигналов от спутников; и он неуязвим к шуму солнечного света и непогоды, — объясняет Бен Лэньон из Инсбрукского университета.

Объем финансирования проектов квантовых сетей медленно растет. Например, в 2022 году Альянс квантового Интернета запустил семилетнюю программу по созданию инновационной экосистемы квантового Интернета в Европе, и на ее первый этап был выделен бюджет в 24 миллиона евро (около 26 миллионов долларов США). Кроме того, в 2021 году Министерство энергетики США объявило, что выделяет 6 миллионов долларов на разработку новых устройств для отправки и получения трафика квантовой сети и еще 25 миллионов долларов на разработку испытательных стендов квантовой сети регионального масштаба. Стартапы квантового интернета также получают финансирование — например, Qunnect, дочерняя компания Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке, в 2022 году привлекла 8,5 миллионов долларов США в рамках серии А.

Предыдущие исследования показали, что спутники могут помочь передавать квантовые сигналы между наземными станциями, расположенными на расстоянии более 1000 километров друг от друга. Однако ученые также хотели бы создать квантовые сети на основе оптоволокна по тем же причинам, по которым подавляющее большинство современного интернет-трафика проходит по оптоволокну, а не через спутники. Оптическое волокно поддерживает гораздо большую пропускную способность; имеет меньшую задержку, поскольку может напрямую соединять две точки вместо отражения сигналов от спутников; «и он неуязвим к шуму солнечного света и непогоды», — объясняет Лэньон.

Тем не менее, на больших расстояниях вероятность того, что фотоны потеряются в оптоволокне, возрастает. Чтобы решить эту проблему, ученые стремились создать квантовые повторители — устройства, которые могут служить промежуточными ретрансляционными узлами между передатчиками и приемниками, помогая квантовым сигналам передаваться на расстояние. Первые чертежи квантового повторителя были разработаны 25 лет назад.

Ранее Лэньон и его коллеги использовали оптическое волокно, чтобы удерживать два иона запутанными на расстоянии 230 метров. Теперь они построили квантовый ретранслятор, который помог квантовым сигналам преодолеть расстояние в 50 км. Более того, эти результаты показывают, что цепочки этих устройств могут помочь квантовым сигналам преодолевать расстояние, более чем в 10 раз превышающее расстояние, необходимое для практических квантовых сетей в реальном мире.