На пути к квантовому Интернету

МЕНЮ


Главная страница
Поиск
Регистрация на сайте
Помощь проекту
Архив новостей

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация



RSS


RSS новости


Закладываются основы для распространения квантовых вычислений в глобальном масштабе.

Важно понимать, что кошка внутри коробки одновременно жива и мертва, сказал физик Эрвин Шредингер (предположительно ошеломленный) Альберт Эйнштейн в 1935 году. В качестве способа объяснить принцип квантовой суперпозиции, при котором любая частица может обладать двумя или более квантовыми состояниями, Шредингер представил кошку, представляющую указанные атомные частицы, внутри закрытой коробки со счетчиком Гейгера и колбой с ядом. Если в какой-то момент циферблат на счетчике начнет подергиваться, колба разобьется, и яд, предположительно, убьет кошку. Однако, поскольку частицы могут существовать одновременно в нескольких состояниях, кошка на самом деле и жива, и мертва до тех пор, пока коробка не откроется, когда подтвердится одно из обоих состояний.

Таков принцип, лежащий в основе работы квантовых компьютеров. В отличие от классического компьютера, в котором биты, которые могут представлять 0 или 1, являются основной единицей вычисления, квантовый компьютер использует кубиты, которые могут по отдельности представлять 0 или 1 одновременно. Это делает его гораздо более эффективным при обработке сложных вычислений, но также невероятно сложным в построении. Мало того, что стабильность квантовых компьютеров зависит от их работы в экстремальных условиях, включая сверхнизкие температуры (недавняя рабочая демонстрация при -272°C считалась прорывом), существует также неотъемлемое ограничение на количество кубитов, которые может использовать отдельная машина.

По мере того как квантовые компьютеры становятся все более совершенными, все большее внимание уделяется их объединению в сеть. (Фото IBM /Flickr)

Как таковой, прогресс был медленным. Первый двухкубитовый квантовый компьютер был построен в 1998 году. В декабре 2020 года исследователи в Китае получили до 76 кубитов. В результате компьютер оказался невероятно мощным, производя вычисления в триллионы раз быстрее, чем некоторые из самых передовых суперкомпьютеров. Тем не менее, это все еще давало лишь намек на то, чего могут достичь квантовые компьютеры в сетевом состоянии. Достичь этого, опять же, чрезвычайно сложно. Квантовые состояния уже чрезвычайно хрупки, и процесс передачи квантовых данных по проводному соединению до сих пор оказался уязвимым для помех, что усугубляется расстоянием.

Однако в начале этого месяца команде Toshiba удалось отправить квантовое сообщение по волоконно-оптическому проводу длиной около 600 км. В первую очередь это была демонстрация квантового распределения ключей (QKD), метода безопасной связи, который использует принципы квантовой механики для отправки криптографического ключа, отображенного на фотоне, который уничтожается, если кто - либо проследит за сообщением при передаче. Но компания приветствовала этот прорыв как первый шаг на пути к квантовому Интернету.

Что такое квантовый интернет?

“Квантовый интернет-это действительно будущее развитие или эволюция этих квантовых коммуникационных систем, которые мы имеем сегодня, что позволит нам построить глобальную сеть квантовых процессоров, соединенных между собой квантовыми коммуникационными линиями”, - объясняет Эндрю Шилдс, глава подразделения квантовых технологий Toshiba в Европе.

Это не только позволило бы создать безопасные сети связи, говорит Шилдс – QKD, пожалуй, единственный криптографический метод, который не может быть взломан квантовыми компьютерами, – но и распределенные квантовые вычисления в грандиозных масштабах. “Это позволило бы обеспечить безопасную связь, как это делает QKD, но также и многое другое”, - говорит Шилдс. Они включают в себя решение обширных математических задач, выходящих за рамки классических суперкомпьютеров, с глубокими последствиями во всем, от финансового моделирования и кибербезопасности до фармацевтических исследований и астрономии.

Как можно использовать квантовый интернет? Вряд ли это будет похоже на современный Интернет – глобальную коммуникационную сеть, в которой размещено все, от социальных сетей до энциклопедий и электронной коммерции. “Мы не должны думать об этом как о чем-то, что заменяет классический Интернет", - говорит Трейси Нортап, профессор экспериментальной физики в Университете Инсбрука. Скорее, квантовый интернет следует просто определить как сеть, “которая позволит вам распространять квантовую запутанность в качестве ресурса”.

Для большинства исследователей цель квантовой связи состоит в том, чтобы обеспечить распределенный доступ к квантовым вычислениям. Таким образом, квантовый интернет, вероятно, будет ближе к докоммерческим дням классического Интернета, когда два или три университетских городка США обменивались данными и вычислительными ресурсами.

Этот этап для квантового интернета еще впереди. Для подключения квантовых процессоров, либо по проводному соединению, либо по воздуху, требуется несколько единиц оборудования, которые все еще находятся на стадии эксперимента. Представьте, например, два квантовых компьютера, один на станции А, а другой на станции Б. Один из наиболее многообещающих способов для них общаться друг с другом-это делиться частицами, которые были "запутаны", то есть они обладают идеально коррелированными квантовыми свойствами до такой степени, что они действуют как зеркальные отражения друг друга независимо от расстояния. Самый простой способ сделать это-передать фотоны, иногда известные как "летающие кубиты", между станциями A и B.

Несколько факторов делают эту операцию дьявольски сложной. Во-первых, передача кубита таким образом делает его уязвимым для помех или "шума", что может поставить под угрозу целостность сообщения. “Если мы потеряем эту информацию по дороге или если она будет искажена, нам придется жить с этим искажением”, - объясняет Нортуп.

В классической связи эта проблема решается с помощью ретранслятора, объясняет Шилдс, “который может усиливать оптический сигнал и позволяет осуществлять связь на любом произвольном расстоянии”. Аналогичное устройство может выполнять ту же роль в квантовой сети. “Квантовый ретранслятор расширит связь на любое произвольное расстояние”, - говорит Шилдс, что намного превышает рекорд в 600 км, установленный Toshiba в начале этого месяца.
Подробнее:

Геополитика и протекционизм угрожают следующей эре квантовых исследований

Действительно, за несколько дней до прорыва компании команда из Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне, Испания, объявила о своем собственном прорыве, "решающем шаге на пути к жизнеспособной реализации квантового повторителя". Команде удалось отправить запутанный фотон из одной лаборатории в другую на расстоянии около десяти метров, сохранив и восстановив его по пути с устройства памяти. “Они достигли точности более 90%, что чрезвычайно хорошо”, - говорит Мьюнгшик Ким, профессор физики в Имперском колледже Лондона. “Но если вы спросите меня, достаточно ли этого для хорошего квантового интернета, то я бы подумал, что мы должны улучшить его еще больше”.

Для того чтобы квантовый интернет мог избежать незначительных ошибок, эту запутанность необходимо было бы увеличить до 100%. Тем не менее, часть того, что делает барселонскую статью такой захватывающей, заключается в том, что теоретически возможно усовершенствовать запутанность, достигнутую командой, во что-то еще более чистое. “Мы можем выделить несовершенную запутанность до 100% максимально запутанных пар", - объясняет Ким. Это, вероятно, будет следующей проблемой, которую предстоит преодолеть в квантовой телепортации. “Нам нужно еще несколько лет”, прежде чем мы начнем видеть плоды этого исследования, - говорит Ким.

Объединение отдельных процессоров в "квантовый интернет" может помочь увеличить вычислительную мощность. (Фото Крейга Рэймонда/Shutterstock)
Взлом квантового интернета

Хотя квантовый интернет еще не стал реальностью, его основы уже используются. “Распределение квантовых ключей для квантовой связи-это уже зрелая технология, которая коммерциализируется”, - говорит Нортуп, используемая для защиты данных обо всем, от банковских переводов до результатов выборов в Швейцарии. Его преимущество в качестве безопасного метода связи, теоретически защищенного от взлома даже квантовыми компьютерами, сделало его идеальным для шифрования данных, которые должны оставаться неприкосновенными на неопределенный срок.

“Мы провели испытание в Сендае, Япония, в ходе которого была обеспечена безопасная передача данных генома, - объясняет Шилдс, - данных, которые мы должны хранить в безопасности в течение многих лет в течение жизни человека и, возможно, даже жизни его потомков”.

Это не значит, что он полностью защищен от взлома. Исследователи, такие как доктор Вадим Макаров из Российского квантового центра в Москве, уже более десяти лет заняты поиском способов разрушения или взлома квантовых криптографических систем. “Что” квантовые хакеры "действительно подчеркнули, так это то, что этот метод безопасной связи будет работать только в том случае, если вы доверяете физической реализации", - говорит Нортуп. Преодоление этого привело к созданию совершенно новой области: независимое от устройства квантовое распределение ключей (DIQKD), серия тестов, рекламируемых ее сторонниками как“высшая форма криптографии", но к которой Шилдс относится скептически ("Невозможно построить какую-либо криптографическую систему, квантовую или классическую, без некоторых предположений об оборудовании”, - говорит он. “DIQKD не меняет ситуацию”.)

Несмотря на это, популяризация QKD предвещает новую эру безопасной связи. Какие последствия это будет иметь для полиции и разведки, не говоря уже о личной и корпоративной конфиденциальности, неизвестно. Не является окончательным и влияние квантового интернета, локомотива, для которого инфраструктура, поддерживающая QKD, будет состоять из множества путей и шпал.

Эта неопределенность не помешала инвестициям в исследовательские проекты, исследующие потенциал квантового интернета по всему миру. “Вы также начинаете видеть, как компании вовлекаются”, - говорит Нортуп, и все это создает “действительно богатую среду для людей, которые могут рассмотреть эти вопросы и сотрудничать”.

Это не только привело к серии прорывов в области квантовых сетей в весьма примечательной последовательности, но и к росту интереса к тому, какие именно приложения могут появиться, когда квантовый интернет будет наконец реализован. Невозможно предвидеть, каким образом исследователи смогут использовать огромные вычислительные мощности, точно так же, как ученые, экспериментировавшие с ранним классическим Интернетом, никогда не могли знать, что это приведет к массовому обмену информацией в глобальном масштабе. Тем не менее, наслаждаясь плодами квантовых исследований, говорит Нортап, мы не должны забывать, как они были посеяны изначально.

“Я хотел бы подчеркнуть сохраняющуюся важность фундаментальных исследований”, – говорит Нортап, указывая на тот факт, что некоторые идеи, выдвигающиеся на первый план в области квантовых сетей, в первую очередь DIQKD, являются невероятно новыми. “Я беспокоюсь, что… людям может быть легко представить все это в виде прикладного вопроса о том, как его построить, протестировать, завершить строительство. Но я думаю, что фундаментальная научная работа еще долго будет играть очень важную роль”.


Источник: techmonitor.ai

Комментарии: