Інтернет може досягти квантової швидкості

19 апреля 2024 г., 17:05

Дослідники з Інституту Нільса Бора в Копенгагенському університеті розробили новий спосіб створення квантової пам’яті: невеликий барабан може зберігати дані, надіслані світлом у своїх звукових коливаннях, а потім передавати дані новим джерелам світла, коли вони потрібні. Результати демонструють, що механічна пам’ять для квантових даних може стати стратегією, яка прокладає шлях до надзвичайно безпечного Інтернету з неймовірною швидкістю.

Квантовий барабан — це невелика мембрана, виготовлена з керамічного, схожого на скло матеріалу з отворами, розкиданими акуратним візерунком по краях.

Коли по барабану б’ють світлом лазера, він починає вібрувати, і робить це настільки швидко й безперешкодно, що в гру вступає квантова механіка. Ця властивість вже давно викликала ажіотаж, відкривши низку квантових технологічних можливостей.

Тепер співпраця в різних квантових областях в Інституті продемонструвала, що барабан також може відігравати ключову роль для майбутньої мережі квантових комп’ютерів. Дослідники створили нову форму «квантової пам’яті», перетворивши світлові сигнали на звукові коливання.

У щойно опублікованій дослідницькій статті дослідники довели, що квантові дані від квантового комп’ютера, випромінювані у вигляді світлових сигналів – наприклад, через волоконно-оптичний кабель, який уже використовується для високошвидкісного підключення до Інтернету – можуть зберігатися у вигляді вібрації в барабані, а потім надсилатися далі.

Попередні експерименти продемонстрували дослідникам, що мембрана може залишатися в інакшому крихкому квантовому стані. І на цій основі вони вважають, що барабан повинен мати можливість приймати і передавати квантові дані без їх «декогеренції», тобто втрати свого квантового стану, коли квантові комп’ютери будуть готові.

«Це відкриває чудові перспективи на той день, коли квантові комп’ютери справді зможуть робити те, чого ми від них очікуємо. Квантова пам’ять, ймовірно, буде фундаментальною для передачі квантової інформації на відстані. Отже, те, що ми розробили, є важливою частиною самого фундаменту для Інтернету майбутнього з квантовою швидкістю та квантовою безпекою», — каже постдок Мадс Б’єррегаард Крістенсен (Mads Bjerregaard Kristensen) з Інституту Нільса Бора, провідний автор нової наукової статті.

Під час передачі інформації між двома квантовими комп’ютерами на відстані – або між багатьма в квантовому Інтернеті – сигнал швидко заглушається шумом. Рівень шуму в волоконно-оптичному кабелі експоненціально зростає, чим довший кабель. Згодом дані більше не можуть бути декодовані.

Класичний Інтернет та інші великі комп'ютерні мережі вирішують цю проблему шуму, посилюючи сигнали на невеликих станціях уздовж маршрутів передачі. Але щоб квантові комп’ютери могли застосувати аналогічний метод, вони повинні спочатку перевести дані у звичайні двійкові системи числення.

Це не вийде. Це сповільнить роботу мережі та зробить її вразливою для кібератак, оскільки ймовірність того, що класичний захист даних буде ефективним у майбутньому квантового комп’ютера, дуже низька.

Замість цього вчені сподіваються, що квантовий барабан зможе взяти на себе це завдання. Він показав великі перспективи, оскільки він неймовірно добре підходить для отримання та повторного надсилання сигналів від квантового комп’ютера. Таким чином, мета полягає в тому, щоб розширити зв’язок між квантовими комп’ютерами через станції, де квантові барабани приймають і ретранслюють сигнали, і таким чином уникати шуму, зберігаючи дані в квантовому стані», – говорить Мадс Б’єррегаард Крістенсен.

У разі успіху станції також зможуть розширювати квантово-захищені з’єднання, чиї квантові коди також можуть бути подовжені барабаном. Ці захищені сигнали можуть надсилатися на різні відстані, чи то навколо квантової мережі, чи то через Атлантику, у квантовому Інтернеті майбутнього.

Барабан — це найновіший і найсерйозніший варіант механічної квантової пам’яті, оскільки має низькі втрати сигналу, тобто потужність сигналу даних добре зберігається. Він також має величезну перевагу в тому, що здатний працювати з усіма частотами світла, включно з частотою, яка використовується у волоконно-оптичних світлових кабелях, на яких побудований сучасний Інтернет.

Квантовий барабан також зручний, оскільки дані можна зберігати та зчитувати, коли це необхідно. А рекордні 23 мілісекунди часу пам’яті, якого вже досягли дослідники, роблять набагато більш імовірним те, що технологія одного дня може стати будівельним блоком для систем квантових мереж, а також апаратного забезпечення квантових комп’ютерів.