A kormány, a nemzeti laboratóriumok, az egyetemek és az ipar érdekelt felei összegyűltek a DOE Quantum Internet Blueprint Workshopján, hogy meghatározzák a kutatási célkitűzéseket és mérföldköveket nemzetünk kvantuminternetei fejlesztésének felgyorsítására. Köszönet: A kép az Energiaügyi Minisztérium Tudományos Hivatalának jóvoltából
A mai internet világszerte összeköt bennünket. Információcsomagokat küld, amelyek a kommunikációnkat klasszikus jelek formájában továbbítják – fénykitörések útján optikai szálakon keresztül, elektromosan rézdróton keresztül, vagy mikrohullámokon keresztül vezeték nélküli kapcsolatok létrehozásához. Gyors és megbízható. Miért kellene tehát kifejleszteni egy kvantuminternetet, amely ehelyett egyetlen fotont – a lehető legkisebb fénykvantumot – használ az információ továbbítására?
Mert új tudományos területek várnak felfedezésre. A kvantumfizika szabályozza a nagyon kicsik területét. Lehetővé teszi olyan egyedi kvantumjelenségek megértését – és előnyünkre való felhasználását –, amelyeknek nincs klasszikus megfelelője. A kvantumfizika alapelvei alapján tervezhetünk precízebb méréseket végző szenzorokat, bonyolultabb fizikai folyamatokat szimuláló számítógépeket, illetve olyan kommunikációs hálózatokat, amelyek biztonságosan összekapcsolják ezeket az eszközöket, és új lehetőségeket teremtenek a tudományos felfedezések számára.
A kvantumhálózatok a fotonok kvantumtulajdonságait használják fel információ kódolására. Például az egyik irányban polarizált fotonok (például abban az irányban, amely lehetővé teszi számukra, hogy áthaladjanak a polarizált napszemüvegen) az értékhez kapcsolódnak; az egyik, az ellenkező irányba polarizált fotonok (így nem mennek át a napszemüvegen) a nulla értékhez kapcsolódnak. A kutatók kvantumkommunikációs protokollokat fejlesztenek ezen asszociációk formalizálására, lehetővé téve, hogy a fotonok kvantumállapota információt továbbítson a küldőtől a vevőig egy kvantumhálózaton keresztül.
A kvantumhálózatok olyan egyedi kvantumjelenségeket használnak, mint például a szuperpozíció, a klónozás hiánya és az összefonódás, amelyek nem állnak rendelkezésre a klasszikus hálózatok számára. Mielőtt a fotont megmérnénk, az összes lehetséges kvantumállapotának szuperpozíciójában létezik, mindegyik megfelelő valószínűséggel. A mérés ezek közül az állapotok közül választ ki egyet. Valójában a foton kvantumállapota nem mérhető anélkül, hogy a kísérletet eláruló zavar ne okozzon. Egy tetszőleges, ismeretlen kvantumállapot sem másolható – klónozás nem megengedett. Egy megfelelően megtervezett és működtetett kvantumhálózat eredendő biztonságot ad ebből a viselkedésből.
De ha a foton nem másolható, hogyan lehet a kommunikációt felerősíteni, hogy elérje a távoli címzetteket? Itt lép be a képbe az összefonódás kvantumjelensége. Az egyes összegabalyodott fotonok kvantumállapota korrelál az összegabalyodott partnereinek kvantumállapotával, függetlenül azok távolságától. Kvantumhálózati átjátszókat fejlesztenek, amelyek összefonódást használnak a kvantumhálózatok tartományának kiterjesztésére.
Vajon a feltörekvő kvantuminternet elavulttá teszi a mai klasszikus internetet? Egyáltalán nem. A kvantumhálózatok erősségei kiegészítik a klasszikus hálózatokat. A legnagyobb hasznot hosszú távon azzal érhetjük el, hogy a klasszikus és a kvantumhálózatokat is beépítjük egy internetbe, olyan képességekkel, amelyek meghaladják azt, ami önmagában bármelyik technológiával lehetséges.
DOE Office of Science: Hozzájárulások a Quantum Networkshez
A DOE Tudományos Hivatal olyan tudományos felfedezéseket és főbb tudományos eszközöket kínál, amelyek átalakítják a természetről alkotott ismereteinket, és előmozdítják az Egyesült Államok energia-, gazdasági és nemzetbiztonságát. A DOE Quantum Internet Blueprint Workshop, a résztvevők kiemelt kutatási célként tűzték ki a kvantuminternet építőköveinek, köztük az összefonódást használó kvantumhálózati átjátszók felgyorsított fejlesztését. Más kutatási prioritások ezen építőelemek integrálására törekszenek, hogy megbízható többugrásos hálózatot hozzanak létre, amely szabályozza a repülő qubitek útvonalát és kijavítja a hibákat.
