Заинтересованные стороны из правительства, национальных лабораторий, университетов и промышленности собрались на семинаре DOE Quantum Internet Blueprint Workshop, чтобы определить цели исследований и основные этапы для ускорения развития квантового интернета в нашей стране. Предоставлено: Изображение предоставлено Управлением науки Министерства энергетики.
Современный Интернет объединяет нас по всему миру. Он отправляет пакеты информации, которые переносят наши сообщения в классических сигналах — посылаются вспышками света по оптическим волокнам, электрически по медному проводу или микроволнами для установления беспроводных соединений. Это быстро и надежно. Так зачем же разрабатывать квантовый интернет, который вместо этого использует одиночные фотоны — наименьший возможный квант света — для передачи информации?
Потому что есть новые научные области для изучения. Квантовая физика управляет областью очень малого. Это позволяет нам понять — и использовать в своих интересах — уникальные квантовые явления, для которых нет классического аналога. Мы можем использовать принципы квантовой физики для разработки датчиков, которые делают более точные измерения, компьютеров, которые моделируют более сложные физические процессы, и сетей связи, которые надежно соединяют эти устройства и создают новые возможности для научных открытий.
Квантовые сети используют квантовые свойства фотонов для кодирования информации. Например, фотоны, поляризованные в одном направлении (например, в направлении, позволяющем им проходить через поляризованные солнцезащитные очки), связаны со значением; во-первых, фотоны, поляризованные в противоположном направлении (поэтому они не проходят через солнцезащитные очки), связаны с нулевым значением. Исследователи разрабатывают протоколы квантовой связи для формализации этих ассоциаций, позволяя квантовому состоянию фотонов передавать информацию от отправителя к получателю через квантовую сеть.
Квантовые сети используют уникальные квантовые явления, такие как суперпозиция, отсутствие клонирования и запутанность, которые недоступны для классических сетей. До того, как фотон будет измерен, он существует в суперпозиции всех своих возможных квантовых состояний, каждое из которых имеет соответствующую вероятность. Измерение выбирает одно из этих состояний. На самом деле квантовое состояние фотона нельзя измерить, не вызвав возмущения, выдающего попытку. Точно так же нельзя скопировать произвольное неизвестное квантовое состояние — клонирование запрещено. Правильно спроектированная и управляемая квантовая сеть обеспечивает неотъемлемую безопасность благодаря такому поведению.
Но если фотон нельзя скопировать, как можно усилить передачу, чтобы достичь удаленных получателей? Вот тут-то и появляется квантовое явление запутанности. Квантовое состояние каждого запутанного фотона коррелирует с состоянием его запутанных партнеров, независимо от их расстояния друг от друга. Разрабатываются повторители квантовых сетей, которые используют запутывание для расширения диапазона квантовых сетей.
Сделает ли возникающий квантовый интернет сегодняшний классический интернет устаревшим? Нисколько. Сильные стороны квантовых сетей дополняют сильные стороны классических сетей. В долгосрочной перспективе мы получим наибольшую выгоду, включив в Интернет как классические, так и квантовые сети с возможностями, которые превышают возможности любой технологии по отдельности.
Управление науки Министерства энергетики: вклад в квантовые сети
Управление науки Министерства энергетики предоставляет научные открытия и основные научные инструменты, которые изменят наше понимание природы и укрепят энергетическую, экономическую и национальную безопасность Соединенных Штатов. В Семинар DOE Quantum Internet Blueprint Workshop, участники поставили в качестве приоритетной исследовательской цели ускоренную разработку строительных блоков квантового интернета, включая повторители квантовых сетей, использующие запутывание. Другие приоритеты исследований направлены на интеграцию этих строительных блоков для создания надежной многоскачковой сети, которая контролирует маршрут летающих кубитов и исправляет ошибки.
