В начале этого месяца группа исследовательских лабораторий Чикаго представила расширенную квантовую сеть протяженностью 124 мили, проходящую от пригорода Лемонт через город Чикаго до района Гайд-парк и обратно. Эта общая протяженность учитывает недавно добавленный сегмент оптического волокна длиной 35 миль, который недавно был подключен к 89-мильной квантовой петле Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, запущенной в 2020 году и соединяющей лаборатории Чикагской квантовой биржи и Чикагского университета.
Цель создания такой сети - дать возможность исследователям экспериментировать с новыми типами квантовых коммуникаций, протоколами безопасности и алгоритмами с целью продвижения к предварительному квантовому интернету (который вполне может выглядеть как ранняя версия классического интернета). В настоящее время Toshiba использует эту сеть для тестирования распределенных ключей квантового шифрования в условиях воздействия таких факторов, как шум, погода и колебания температуры, чтобы понять, насколько надежен этот метод и какие потенциальные проблемы могут возникнуть.
На данный момент исследователи смогли переслать информацию со скоростью 80 000 квантовых битов (или кубитов - подробнее об этом ниже) в секунду. Такие экспериментальные ключи могут оказаться полезными в будущем, когда мощные квантовые компьютеры будут угрожать взломом классического шифрования, и этот вопрос был поднят законодателями в Конгрессе.
По мере появления больших квантовых компьютеров исследователи активно изучают способы использования законов квантовой физики для создания канала связи, который был бы защищен от взлома и несанкционированного доступа. Этот тип канала связи также может стать методом "соединения" квантовых устройств.
"Допустим, у вас есть квантовый компьютер, в котором до 1000 кубитов. А вот у вас есть второй компьютер, в котором 1 000 кубитов. Вы хотели бы соединить их вместе так же, как мы сегодня строим суперкомпьютеры, создавая кластеры, но вы не можете просто соединить компьютеры классическим проводом. Вам нужен квантовый провод, чтобы сохранить квантовые состояния обеих машин", - говорит Дэвид Авшалом, профессор Чикагского университета и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. "Таким образом, квантовый канал связи - это способ сделать это - по сути, создать способ для двух квантовых схем разговаривать друг с другом, никогда не входя в классический мир".
Иллюстрация современной квантовой сети. Чикагский университетИсследование возможностей квантовых коммуникаций
Поскольку это квантовый мир, все работает немного по-другому. Для начала, чтобы объекты проявляли квантовые свойства, они должны быть либо очень холодными, либо очень маленькими. Чикаго выбрал маленький.
"Многие из современных коммерчески доступных квантовых машин обычно являются сверхпроводниками, поэтому они должны иметь очень низкие температуры", - говорит Авшалом. "Квантовые коммуникации используют фотоны, а поляризация света кодирует информацию". Это означает, что сеть может работать при комнатной температуре.
Использование фотонов означает, что они также могут использовать оптические волокна, по которым сегодня проходит классическая связь. Но здесь начинаются проблемы. Оптические волокна сделаны из тонких нитей стекла, а стекло имеет недостатки. Когда одиночные фотоны, или импульсы света, проходят по ним, некоторое время все может идти гладко, но со временем и расстоянием амплитуда сигнала уменьшается, потому что свет рассеивается от примесей. Для классического Интернета решением являются ретрансляторы. Это устройства размером с большой палец, которые устанавливаются через каждые 50 миль или около того, чтобы усиливать сигнал и передавать его дальше.
В квантовом мире действуют хитрые правила. Квантовые биты (кубиты), в отличие от классических битов, не являются ни 0, ни 1. Они представляют собой суперпозицию двух значений, что означает, что они могут быть либо 0, либо 1, либо и тем, и другим одновременно. Вы можете увидеть квантовый бит, изображенный в виде сферы со стрелкой, выходящей из ее центра. Вы не можете скопировать квантовое состояние (см. теорему о невозможности клонирования), а взгляд на него или наблюдение выводит его из суперпозиции, поэтому вы уничтожаете кубиты. (Преимущество этого способа в том, что он делает квантовые связи защищенными от взлома).
Квантовый сигнал все еще может преодолевать расстояния в городе по оптоволокну без ретранслятора. Однако в будущем есть несколько идей, как увеличить его дальность. Одна из них заключается в том, чтобы передавать сигнал по воздуху на спутник, а затем обратно (этим занимаются исследователи в Китае). Но в воздухе свет может поглощаться влагой, и многие фотоны не попадают обратно на Землю (NASA пытается выяснить, можно ли повысить стабильность запутанных фотонов в космосе). С помощью оптического волокна можно настраивать сигнал, видеть, где он находится, и посылать сигналы нескольких частот одновременно. Кроме того, вы можете использовать преимущества существующей инфраструктуры. Авшалом представляет, что будущая квантовая сеть будет использовать преимущества как оптоволоконной, так и спутниковой связи, возможно, оптоволокно для коротких расстояний, а спутник - для более дальних.
Другая идея заключается в использовании трюка, называемого обменом запутанными элементами. Именно здесь в игру вступают различные узлы (в настоящее время сеть Чикаго состоит из шести узлов). Узлы не относятся к гаргантюанскому квантовому компьютеру с сотнями кубитов. В большинстве случаев они представляют собой тип квантовой памяти, которую Авшалом сравнивает с крошечным, простым квантовым компьютером. Вы можете вводить информацию и выводить ее.
"Допустим, я с трудом могу передать вам свое [квантовое] состояние. Вы хотите передать его кому-то другому в другом месте. Но у нас нет ретранслятора", - говорит он. "Что вы могли бы сделать, так это взять запутанную информацию, не глядя на то, что это такое, поместить ее в память, а затем поменять ее на что-то другое".
Как работают квантовые ключи
Создание квантовых ключей для шифрования информации - это практическое применение квантовой связи через запутанность. Запутанные частицы будут вести себя так, как будто они связаны, независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Это означает, что если вы посмотрите на одну частицу, она изменит другую, а если вы посмотрите на обе, их измерения будут коррелировать. Как только вы установите запутанность, распространите запутанное состояние и сохраните его на расстоянии и во времени, вы сможете использовать это свойство для мгновенной передачи информации.
Классические ключи, которые работают как шифры для информации, генерируются на основе алгоритмов для шифрования информации и обеспечения ее безопасности. Эти алгоритмы обычно содержат математическую функцию, которую легко решить в одном направлении, но трудно (хотя и не невозможно) перепрограммировать.
"На самом деле трудно сделать ключи, защищенные от взлома, чтобы нельзя было либо работать в обратном направлении и выяснить, как были сгенерированы ключи, либо трудно не дать людям скопировать ключ", - говорит Авшалом. "И вы не знаете, скопировал ли его кто-то".
Квантовый ключ генерируется с помощью квантовой механики, а пара ключей, которые распределяются между отправителем и получателем, тесно связаны между собой посредством квантовой запутанности. В Чикагском эксперименте квантовые ключи передаются с помощью фотонов, свойства которых были изменены (с помощью таких факторов, как направление поляризации) для кодирования битов. Никто не может скопировать или перехватить ключ, не уничтожив квантовую информацию.
Квантовые ключи могут состоять из строки квантовых битов. "Квантовый ключ - это функция состояния базиса. У вас есть система координат, чтобы прочитать его", - объясняет Авшалом. "Ваш "бит" и мой "бит" коррелируют. Поэтому он очень отличается от классического ключа. Если кто-то зашифрует ваш ключ, он зашифрует и мой. Я также могу быть уверен, что вы получили его, основываясь на том, как я получил свой ключ".
Испытательный стенд для новых технологий
Квантовая область, несмотря на всю шумиху, все еще находится на ранней стадии. Это означает, что исследователи не знают наверняка, что будет работать хорошо, а что нет. Частично эта неопределенность будет изучаться этой сетью благодаря тому, что разные узлы в разных лабораториях Чикаго экспериментируют с разными стратегиями. "Например, прямо сейчас у нас есть лаборатория холодного атома в качестве одного из узлов, так что вы можете взять информацию о квантовых коммуникациях, поместить ее в простой атом в ловушке, а затем извлечь ее", - говорит Авшалом. Его лаборатория, еще один узел сети, занимается интеграцией магнитных атомов из периодической таблицы для хранения и передачи квантовой информации. Другая лаборатория работает со сверхпроводниками. "Каждый узел предназначен для усиления различных технологических идей", - говорит он.
Они также планируют открыть эту сеть для сторонних исследователей и компаний, которые смогут приходить, подключать и тестировать свои прототипы устройств и детекторов, а также запускать их.
Квантовые ключи - это только начало, когда речь заходит о возможностях распределенной запутанности. "Можно сделать гораздо больше, если подумать о другом распределении информации", - говорит Авшалом, приводя в качестве примера глобальное зондирование окружающей среды. "Сегодня мы зондируем мир в основном классическими датчиками, но мир квантово-механический. Возникает вопрос: чего мы не видим только потому, что никогда не смотрели? Между этими технологиями зондирования и способом объединить датчики вместе, я оптимистично полагаю, что мы узнаем много нового".