Враження художника про тривузлову квантову мережу. Авторство: Маттео Помпілі для QuTech
Команда дослідників із QuTech у Нідерландах повідомляє про реалізацію першої багатовузлової квантової мережі, що з’єднує три квантові процесори. Крім того, вони досягли доказу принципової демонстрації ключових протоколів квантової мережі. Їхні висновки знаменують важливу віху на шляху до майбутнього квантового Інтернету, і тепер вони опубліковані в наука.
Квантовий Інтернет
Потужність Інтернету полягає в тому, що він дозволяє будь-яким двом комп’ютерам на Землі з’єднуватися один з одним, створюючи програми, про які навіть не мріяли на момент його створення десятиліття тому. Сьогодні дослідники в багатьох лабораторіях по всьому світу працюють над першими версіями квантового Інтернету — мережі, яка може з’єднувати будь-які два квантові пристрої, такі як квантові комп’ютери або датчики, на великих відстанях. Тоді як сьогоднішній Інтернет розповсюджує інформацію в бітах (які можуть бути 0 або 1), майбутній квантовий Інтернет використовуватиме квантові біти, які можуть бути 0 і 1 одночасно. «Квантовий Інтернет відкриє низку нових застосувань, від зв’язку, який неможливо зламати, і хмарних обчислень із повною конфіденційністю користувача до високоточного обліку часу», — каже Маттео Помпілі, докторант і член дослідницької групи. «І, як і в Інтернеті 40 років тому, можливо, є багато додатків, які ми не можемо передбачити прямо зараз».
Дослідники працюють над одним із вузлів квантової мережі, де дзеркала та фільтри направляють лазерні промені на алмазний чіп. Авторство: Marieke de Lorijn для QuTech
До повсюдного підключення
Перші кроки до квантового Інтернету були зроблені в останнє десятиліття шляхом з’єднання двох квантових пристроїв, які мали пряме фізичне з’єднання. Однак можливість передавати квантову інформацію через проміжні вузли (аналогічні маршрутизаторам у класичному Інтернеті) є важливою для створення масштабованої квантової мережі. Крім того, багато перспективних квантових інтернет-додатків покладаються на заплутані квантові біти, які розподіляються між кількома вузлами. Заплутаність — це явище, яке спостерігається в квантовому масштабі, фундаментально з’єднуючи частинки на малих і навіть на великих відстанях. Він надає квантовим комп’ютерам їхню величезну обчислювальну потужність і є основним ресурсом для обміну квантовою інформацією через квантовий Інтернет майбутнього. Реалізувавши свою квантову мережу в лабораторії, команда дослідників із QuTech — спільної роботи між Делфтським технологічним університетом і TNO — стала першою, хто з’єднав два квантові процесори через проміжний вузол і встановив спільне зв’язування між кількома автономними процесорами. квантові процесори.
Анімація, що пояснює першу в світі елементарну квантову мережу. Авторство: Slimplot для QuTech
Керування квантовою мережею
Рудиментарна квантова мережа складається з трьох квантових вузлів, розташованих на деякій відстані в одній будівлі. Щоб змусити ці вузли працювати як справжня мережа, дослідникам довелося винайти нову архітектуру, яка дозволяє масштабувати за межі одного посилання. Середній вузол (званий Бобом) має фізичне з’єднання з обома зовнішніми вузлами (званими Алісою та Чарлі), що дозволяє встановити зв’язки переплутаності з кожним із цих вузлів. Боб оснащений додатковим квантовим бітом, який можна використовувати як пам’ять, що дозволяє зберігати раніше створене квантове посилання під час встановлення нового зв’язку. Після встановлення квантових зв’язків Аліса-Боб і Боб-Чарлі набір квантових операцій у Боба перетворює ці зв’язки на квантовий зв’язок Аліса-Чарлі. В якості альтернативи, шляхом виконання іншого набору квантових операцій у Боба, встановлюється заплутаність між усіма трьома вузлами.
Співавтори Маттео Помпілі (ліворуч) і Софі Германс (праворуч), аспіранти в групі Рональда Хансона, на одному з вузлів квантової мережі. Авторство: Marieke de Lorijn для QuTech
Готовий до подальшого використання
Важливою особливістю мережі є те, що вона повідомляє про успішне завершення цих (внутрішньоімовірнісних) протоколів за допомогою сигналу «прапор». Таке оголошення має вирішальне значення для масштабованості, оскільки в майбутньому квантовому Інтернеті багато таких протоколів потрібно буде об’єднати. «Після встановлення ми змогли зберегти отримані заплутані стани, захистивши їх від шуму», — каже Софі Германс, інший член команди. «Це означає, що в принципі ми можемо використовувати ці стани для квантового розподілу ключів, квантового обчислення або будь-якого іншого наступного квантового протоколу».
Квантовий інтернет-демонстратор
Ця перша квантова мережа на основі заплутаності надає дослідникам унікальний тестовий стенд для розробки та тестування обладнання, програмного забезпечення та протоколів квантового Інтернету. «Майбутній квантовий Інтернет складатиметься з незліченних квантових пристроїв і проміжних вузлів», — каже Рональд Хансон, який очолював дослідницьку групу. «Колеги з QuTech уже розглядають майбутню сумісність із існуючими інфраструктурами даних». У належний час поточний підхід до підтвердження принципу буде випробувано за межами лабораторії на існуючому телекомунікаційному волокні — на Quantum Internet Demonstrator від QuTech, перше міське з’єднання якого планується завершити у 2022 році.
Шари вищого рівня
У лабораторії дослідники зосередяться на додаванні більшої кількості квантових бітів до своєї мережі з трьома вузлами та на додаванні програмного та апаратного рівнів вищого рівня. Помпілі: «Після того, як усі високорівневі рівні управління та інтерфейсу для роботи мережі будуть розроблені, будь-хто зможе написати та запустити мережеву програму без необхідності розуміти, як працюють лазери та кріостати. Це кінцева мета».
Довідка: «Реалізація багатовузлової квантової мережі віддалених твердотільних кубітів» М. Помпілі, С. Л. Германс, С. Баєр, Х. К. К. Беукерс, П. К. Хамфріс, Р. Н. Шоутен, Р. Ф. Л. Вермеулен, М. Дж. Тіггельман, Л. дос Сантос Мартінс, Б. Дірксе, С. Венер і Р. Хансон, 16 квітня 2021 р. наука.
DOI: 10.1126/science.abg1919
