Ещё в феврале 2020 года учёные из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета обнаружили, что они достигли квантовой запутанности, при которой поведение пары двух крошечных частиц становится связанным, так что их состояния идентичны - в сети квантовых петель протяженностью 83,7 км в пригороде Чикаго.
Вам может быть интересно, о чем вся эта суета, если вы не ученый, знакомый с квантовой механикой, то есть с поведением материи и энергии на самом маленьком масштабе реальности, которое своеобразно отличается от мир, который мы можем видеть вокруг нас.
Но подвиг исследователей может стать важным шагом в разработке новой, гораздо более мощной версии Интернета в ближайшие несколько десятилетий. Вместо битов, используемых сегодняшней сетью, которые могут выражать только значение 0 или 1, будущий квантовый интернет будет использовать кубиты квантовой информации, которые могут принимать бесконечное количество значений. (Кибит - это единица информации для квантового компьютера; это как бит в обычном компьютере).
Это дало бы квантовому интернету гораздо большую пропускную способность, что позволило бы подключать сверхмощные квантовые компьютеры и другие устройства и запускать масштабные приложения, которые просто невозможны при современном Интернете.
«Квантовый интернет станет платформой квантовой экосистемы, где компьютеры, сети и датчики обмениваются информацией принципиально новым способом, где восприятие, связь и вычисления буквально работают вместе как единое целое», - объясняет Дэвид Авшалом. по электронной почте. Он профессор спинтроники и квантовой информации в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета и старший научный сотрудник в Аргонне, руководивший проектом квантовой петли.
Объяснение квантового Интернета
Так зачем нам это нужно и что оно делает? Начнем с того, что квантовый интернет не является заменой обычного интернета, который у нас сейчас есть. Скорее, это было бы дополнением к нему или его ветвью. Это могло бы позаботиться о некоторых проблемах, которые мешают нынешнему Интернету. Например, квантовый интернет обеспечит гораздо большую защиту от хакеров и киберпреступников. Прямо сейчас, если Алиса в Нью-Йорке посылает сообщение Бобу в Калифорнию через Интернет, это сообщение передается более или менее по прямой линии от одного побережья к другому. По пути сигналы, передающие сообщение, ухудшаются; повторители считывают сигналы, усиливают и исправляют ошибки. Но этот процесс позволяет хакерам «взломать» и перехватить сообщение.
Однако с квантовым сообщением такой проблемы не будет. Квантовые сети используют частицы световых фотонов для отправки сообщений, неуязвимых для кибератак. По словам Рэя Ньюэлла, исследователя из Лос-Аламосской национальной лаборатории, вместо того, чтобы шифровать сообщение с помощью математической сложности, мы будем полагаться на особые правила квантовой физики. С квантовой информацией «вы не можете скопировать или разрезать ее пополам, и вы даже не можете посмотреть на нее, не изменив ее». На самом деле, как отмечает журнал Wired, простая попытка перехватить сообщение уничтожает его. Это позволило бы использовать шифрование, которое было бы гораздо более безопасным, чем все, что доступно сегодня.
«Самый простой способ понять концепцию квантового интернета - это концепция квантовой телепортации», - пишет в электронном письме Сумит Хатри, исследователь из Университета штата Луизиана в Батон-Руж. Он и его коллеги написали статью о возможности создания космического квантового интернета, в котором спутники будут постоянно передавать запутанные фотоны на поверхность Земли, как описано в этой статье Technology Review..
«Квантовая телепортация не похожа на то, что может представить себе человек, не являющийся ученым, с точки зрения того, что он видит в научно-фантастических фильмах», - говорит Хатри.«В квантовой телепортации два человека, которые хотят общаться, делят пару запутанных квантовых частиц. Затем, посредством последовательности операций, отправитель может отправить получателю любую квантовую информацию (хотя это невозможно сделать быстрее, чем скорость света). скорость, распространенное заблуждение). Этот набор общей запутанности между парами людей по всему миру, по сути, составляет квантовый интернет. Центральный вопрос исследования заключается в том, как лучше всего распределить эти запутанные пары среди людей, распределенных по всему миру».
Как только это станет возможным в больших масштабах, квантовый интернет станет настолько поразительно быстрым, что удаленные часы можно будет синхронизировать примерно в тысячу раз точнее, чем самые лучшие атомные часы, доступные сегодня, как подробно описывает журнал Cosmos.. Это сделало бы GPS-навигацию намного более точной, чем сегодня, и отображало бы гравитационное поле Земли настолько подробно, что ученые могли бы обнаружить рябь гравитационных волн. Это также позволит телепортировать фотоны с далеких телескопов видимого света по всей Земле и связать их в гигантскую виртуальную обсерваторию.
«Потенциально вы можете увидеть планеты вокруг других звезд», - говорит Николас Питерс, руководитель группы квантовой информатики в Окриджской национальной лаборатории.
Сети сверхмощных квантовых компьютеров по всему миру также смогут работать вместе и создавать невероятно сложные симуляции. Это может позволить исследователям лучше понять, например, поведение молекул и белков, а также разрабатывать и тестировать новые лекарства.
Это также может помочь физикам разгадать некоторые из давних загадок реальности. «У нас нет полной картины того, как устроена Вселенная, - говорит Ньюэлл. «У нас есть очень хорошее понимание того, как работает квантовая механика, но не очень четкое представление о последствиях. Картина размыта там, где квантовая механика пересекается с нашим жизненным опытом."
Проблемы построения квантового Интернета
Но прежде чем что-либо из этого может произойти, исследователи должны выяснить, как построить квантовый интернет, а учитывая странности квантовой механики, это будет непросто. «В классическом мире вы можете кодировать информацию и сохранять ее, и она не испортится», - говорит Питерс. "В квантовом мире вы кодируете информацию, и она почти сразу начинает распадаться."
Еще одна проблема заключается в том, что поскольку количество энергии, соответствующее квантовой информации, очень мало, трудно удержать ее от взаимодействия с внешним миром. Сегодня «во многих случаях квантовые системы работают только при очень низких температурах», - говорит Ньюэлл. "Другая альтернатива - работать в вакууме и выкачивать весь воздух."
Чтобы сделать квантовый интернет функционирующим, говорит Ньюэлл, нам потребуются всевозможные аппаратные средства, которые еще не были разработаны. Поэтому на данный момент трудно сказать, когда именно квантовый интернет будет запущен и запущен, хотя один китайский ученый предположил, что это может произойти уже в 2030 году.
Интересно
Альберт Эйнштейн, ставивший под сомнение обоснованность квантовой механики, назвал квантовую запутанность «призрачным действием на расстоянии», как объясняет Technology Review.
Часто задаваемые вопросы по квантовому Интернету
Насколько быстрым будет квантовый интернет?
Квантовый Интернет сможет передавать большие объемы данных на огромные расстояния со скоростью, превышающей скорость света.
Возможен ли квантовый интернет?
В феврале 2020 года ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета обнаружили, что им удалось создать квантовую запутанность. Подвиг исследователей - важный шаг в разработке новой версии Интернета, но на это может уйти еще несколько десятилетий.
Кто лидирует в области квантовых вычислений?
IBM является одним из самых значительных гигантов в индустрии квантовых вычислений, хотя китайское правительство также делает значительные шаги через Китайскую национальную лабораторию квантовых информационных наук.
Насколько быстр квантовый процессор?
Google объявила, что у нее есть квантовый компьютер, который в 100 миллионов раз быстрее любого классического компьютера.
Какая страна лидирует в области квантовых вычислений?
По данным Forbes, между США и Китаем идет напряженная гонка, но у Америки больше патентов, связанных с квантовыми вычислениями. Кроме того, Google достиг квантового превосходства, решив за 200 секунд задачу, на которую у классического компьютера ушло бы 10 000 лет.