Хабрахабр

Технология, которая приблизит запуск квантовых сетей

Физики из Университетов Торонто, Осаки и Тоямы представили концепцию квантового повторителя, который не использует ячейки квантовой памяти и способен работать при комнатной температуре. В перспективе он позволит реализовать масштабные квантовые сети.

Рассказываем, в чем заключается инновация.


/ PxHere / PD

В чем отличие нового квантового повторителя

Информация в квантовых сетях кодируется в фотонах. Однако переслать их на большие расстояния по оптоволокну довольно сложно. Более 90% частиц теряется в кабеле, длина которого превышает 50 км. Чтобы увеличить расстояние эффективной передачи, ученые и инженеры работают над созданием квантовых повторителей. Они помогают предотвратить потери при передаче фотонов по оптоволоконному кабелю. Однако существующие устройства используют ячейки квантовой памяти, например ионные ловушки, которые стабильны только при сильном охлаждении.

Такой подход создает потенциальную уязвимость для злоумышленников, которые могут перехватывать информацию на скомпрометированном узле. Такие решения сперва декодируют передаваемую информацию, а затем кодируют её снова для передачи дальше по цепочке.

Они продемонстрировали возможность реализации фотонного повторителя, который не требует «промежуточных» преобразований. Команде физиков и инженеров под руководством профессора Хой-Квонга Ло (Hoi-Kwong Lo) удалось решить эту проблему. Отметим, что концепцию устройства исследователи предложили еще в 2015 году, а в начале 2019 им удалось доказать её экспериментально.

Два компьютера, расположенные на разных концах оптоволоконного соединения, генерируют квантовую запутанность между своими фотонами. В этом случае квантовая память заменяется граф-состоянием (photonic graph state). В повторителе эти частицы представляются в виде графа, в котором каждый кубит — это вершина. После они отправляют сразу множество фотонов повторителю. Результатом измерения становится проектирование частиц в перепутанное состояние. Затем над фотонами выполняется измерение состояния Белла (Bell state measurement).

Преимущества и сложности

Оптические повторители способны обеспечить передачу фотонов на значительно большие расстояния — отправитель и получатель смогут находиться в 800 километрах друг от друга. При этом повторители сохраняют работоспособность при комнатной температуре.

Из существующих устройств немногие способны выдавать такие показатели, а те, что способны, дорого стоят. Для достижения таких результатов в сети требуется использовать высокочувствительные оптические детекторы, квантовая эффективность которых будет превышать 60%.

Согласно принципам квантовой механики, при измерении характеристик фотона он меняет своё состояние. Несмотря на недостаток разработчики ожидают, что новые оптические повторители станут тем звеном, которое, наконец, позволит объединить индивидуальные квантовые компьютеры и создать защищенный квантовый интернет. Если кто-то попытается подслушать квантовую сеть, то эта попытка будет сразу замечена и фотон «разрушится».

Согласно недавнему исследованию сотрудников университета Джорджа Вашингтона, хакеры могут нарушить передачу информации в квантовых сетях, «подмешав» в систему запутанных фотонов сторонний трафик. Отметим, что с появлением квантового интернета ученым мира придется решить ряд других проблем. Защиты от подобного типа атак пока нет, но инженеры планируют работать в этом направлении.


/ Flickr / Nick Harris / CC BY-ND

Что ещё делают для реализации квантового интернета

Ряд исследователей ведет работу над повторителями с ионными ловушками. Для них разрабатываются новые материалы, например, искусственные алмазы, которые используют для хранения и передачи кубитов. Синтетический алмаз может служить квантовым хранилищем благодаря дефекту в углеродной решетке. В ней два атома углерода заменяются произвольным атомом и «пустым местом».

Они кодируют квантовые состояния фотонов таким образом, чтобы при потере одной или нескольких частиц при передаче сигнала, информацию из них можно было восстановить. Также ведется работа над алгоритмами коррекции ошибок. Для коррекции ошибок предлагают использовать несколько методов, например алгоритм Шора, кодирование Стейна, принцип квантовой чётности и другие.

Поэтому говорить о том, что какие-то из них определенно станут использоваться в квантовом интернете пока рано. Все из представленных технологий пока находятся на ранних этапах разработки. Вероятно, инициативу подхватят и другие страны. Однако тестовые сети уже начинают появляться: в ближайшие пять лет станции с квантовыми повторителями планируют построить в Великобритании.

О чем мы пишем в корпоративном блоге:
Свежие посты из блога на Хабре:

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть