Первая элементарная квантовая сеть связи между городами

Международная исследовательская группа голландской научно-исследовательской организации QuTech представила реализованное сетевое соединение между квантовыми процессорами на большом расстоянии. Этот результат знаменует собой важный шаг вперед на пути к будущему «квантовому» Интернету. Команда разработала полностью автономно работающие узлы и интегрировала их с существующим оптоволокном для традиционной передачи данных, обеспечив 25-километровую квантовую коннективность. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале «Science Advances».

Величайшим достижением современности является то, что появление и развитие Интернета позволило людям обмениваться информацией (традиционная единица информации – бит) по всему миру. Будущий же «квантовый» Интернет позволит обмениваться квантовой информацией (единица квантовой информации – кубит) по сети совершенно нового типа. Такие кубиты могут принимать не только значения 0 или 1, но и находиться в состоянии суперпозиции (0 и 1 одновременно).  Кроме того, кубиты могут быть «запутанными». Квантовой запутанностью могут обладать два и более кубита, и она выражается в наличии особой корреляции вне зависимости от расстояния между ними.

Сегодня, учёные по всему миру работают над созданием квантовых сетей, которые используют эти возможности, чтобы предложить обществу принципиально новые коммуникационные и вычислительные возможности в сочетании с современным Интернетом. Например, используя свойства кубитов можно будет генерировать надежные ключи шифрования для безопасного обмена финансовыми или медицинскими данными. А квантовые коммуникации позволят подключать удаленные квантовые компьютеры, повышая их мощность и обеспечивая решения задач, зачастую «неподъёмных» для классических вычислителей.

За пределы лаборатории…

Международная команда под руководством Рональда Хэнсона из QuTech, в сотрудничестве с Делфтским техническим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований TNO, смогла организовать соединение двух небольших квантовых компьютеров между голландскими городами Делфт и Гаага. “Расстояние, на котором с помощью 25-километрового проложенного под землей оптоволокна мы в этом проекте создаем квантовую коннективность, является рекордным для квантовых процессоров”, – говорит Хэнсон. “Это первый случай, когда действительно реализовано соединение квантовых процессоров, расположенных в разных городах”.

Несколько лет назад эта исследовательская группа сообщила о создании первой лабораторной многоузловой квантовой сети. “Мы столкнулись с новыми серьезными проблемами при переходе от лабораторных экспериментов к реализации квантовой связи между городами. Нам нужно было разработать гибкую систему, позволяющую узлам работать независимо и на больших расстояниях. Нам нужно было уменьшить влияние потери фотонов на скорость соединения, и мы должны были обеспечить надежное подтверждение каждый раз, когда соединение успешно установлено. Без этих инноваций такое большое расстояние было бы невозможно преодолеть”.

“Все равно что удерживать Луну на постоянном расстоянии от Земли“

Чтобы решить проблему потери фотонов, потребовалось установить квантовое соединение, используя «фотоноэффективный» протокол, который требовал чрезвычайно точной стабилизации оптоволоконного канала. Один из исследователей Ариан Столк объяснил это с помощью такой аналогии: “Связь должна была быть стабильной в пределах длины волны фотона (меньше микрометра) на всей протяжённости оптоволоконного кабеля длиной в 25 километров. Эту задачу можно сравнить с поддержанием постоянного расстояния между Землёй и Луной с точностью всего в несколько миллиметров. Благодаря комбинации результатов теоретических научных исследований и прикладных разработок мы смогли решить эту головоломку.”

В представленной группой работе демонстрируется успешное взаимодействие двух узлов квантовой сети, содержащих кубиты на базе так называемых “дефектных” алмазов с использованием эффекта вращения электронов атома азота и его ядра для хранения информации внутри этого дефекта и обработки данных внутри кубита в течение очень продолжительного времени. Независимо управляемые «квантовые» узлы соединены через промежуточную станцию с помощью существующего оптического волокна. В результате удалось надежно обеспечить заранее заданное состояние квантовой запутанности между узлами.

Сотрудничество исследователей и индустриальных партнёров

Соавтор исследования Киан ван дер Энден (Kian van der Enden) объясняет, насколько важным для успеха проекта был синергетический эффект взаимодействия всех участников: “Компания Fraunhofer ILT разработала важнейший компонент для этой демонстрации – новый тип квантового преобразователя частоты, OPNET поставила самое современное оборудование для точного определения времени, Element Six предоставила свои материалы из синтетических алмазов, а Toptica разработала лазеры с высокой стабильностью. Наконец, голландский телекоммуникационный провайдер KPN предоставил оптоволоконную инфраструктуру, а также услуги хостинга для промежуточной станции и конечных узлов.”

Прочная основа для развития европейского квантового Интернета

Этот результат является важной вехой, которая решает ключевые проблемы масштабирования будущих квантовых сетей. Джесси Робберс, директор по промышленности и цифровой инфраструктуре компании Quantum Delta NL, которая софинансировала исследование, добавляет: “Мы продолжаем демонстрировать лидерство как в разработке будущей основы нашей цифровой инфраструктуры, так и в том, чтобы сделать её реально используемой, что является ключевым условием национальной и европейской стратегии”.

Обращает на себя внимание тот факт, сто разработанные архитектура и методы непосредственно применимы и к другим «кубитным» платформам, включая масштабируемые кубиты следующего поколения, которые в настоящее время разрабатывает команда исследователей. Успешное использование существующей традиционной интернет-инфраструктуры создает задел для нового этапа на пути к «квантовому» Интернету.

Источник: ScienceDaily