Американские инженеры из Пенсильванского университета впервые передали квантовые сигналы по оптоволоконным кабелям, используя интернет-протокол (IP).
Результаты исследования продемонстрировали, что квантовая связь может обеспечиваться той же инфраструктурой, которая поддерживает интернет-трафик. Испытания проводились на кампусной оптоволоконной сети Verizon.
Для этого исследователи создали квантовый чип для координации квантовой и обычной информации, полностью совместимый с существующими интернет-протоколами. Инновационная разработка может стать значительным шагом на пути к внедрению квантового интернета.
Передача квантовых сигналов базируется на частицах в состоянии запутанности. Изменение состояния одной из них мгновенно меняет другую. Это может позволить различным квантовым компьютерам взаимодействовать между собой и обмениваться информацией. Ученые ожидают, что это приведет к появлению более эффективных систем искусственного интеллекта или разработке новых материалов и лекарств.
Исследование показало, что в активной коммерческой оптоволоконной сети чип способен передавать квантовые сигналы, автоматически корректируя уровень шума. Этот чип объединяет квантовые и классические данные в стандартные пакеты и направляет через те же системы адресации и управления, которые обычно используются устройствами, подключенными к сети.
«Показав, что интегрированный чип может управлять квантовыми сигналами в реальной коммерческой сети, такой как Verizon, и делать это с использованием тех же протоколов, которые работают в классическом интернете, мы сделали важный шаг на пути к более масштабным экспериментам и практическому квантовому интернету», — подчеркнул ведущий автор исследования, профессор материаловедения, инженерии электротехники и системотехники, Лян Фэн.
Как отмечает соавтор исследования Роберт Броберг, обычные сети измеряют данные для направления их к конечному пункту назначения, однако в случае с квантовой связью это невозможно, ведь измерение квантовых частиц разрушит запутанность. Для того, чтобы обойти это, инженеры создали «Q-Chip», координирующий классические сигналы, состоящие из постоянных потоков света, с квантовыми частицами.
«Классический сигнал распространяется непосредственно перед квантовым. Это позволяет нам измерять классический сигнал для его маршрутизации, оставляя квантовый сигнал нетронутым. Классические сигналы действуют как двигатель поезда, а квантовая информация едет позади в герметичных контейнерах. Контейнеры невозможно открыть, не разрушив содержимое, но двигатель гарантирует, что весь поезд доберется до места назначения«, — объясняет первый автор исследования Ичи Чжан.
Поскольку классические сигналы можно измерить, вся система может следовать одному и тому же протоколу IP или межсетевому протоколу. Одной из самых серьезных проблем при передаче квантовых сигналов в коммерческой инфраструктуре является изменчивость реальных линий передач. Коммерческие сети уязвимы к перепадам температур, вибрациям и другим факторам.
В связи с этим исследователи разработали метод корректировки ошибок, основанный на том, что помехи в классическом сигнале аналогично влияют на квантовый. По результатам испытаний, система поддерживала точность передачи данных выше 97%, что свидетельствует о ее способности преодолевать шум и нестабильность, которые обычно разрушают квантовые сигналы вне лабораторных условий.
«В нашей сети всего один сервер и один узел, соединяющий два здания, между которыми Verizon проложила около километра оптоволоконного кабеля. Но все, что нужно сделать для расширения сети — это изготовить больше чипов и подключить их к оптоволоконным кабелям Филадельфии», — подчеркнул Лян Фэн.
Главным препятствием для масштабирования квантовых сетей за пределами городов является невозможность усиления квантовых сигналов, не разрушая при этом состояния запутанности. Хотя некоторые исследователи уже продемонстрировали возможность использования специальных кодов для сверхзащищенной связи — квантовых ключей, которые можно передавать на большие расстояния по оптоволоконным кабелям, эти системы используют слабый когерентный свет для генерации случайных чисел, которые невозможно скопировать. Подобные технологии эффективны для приложений в сфере безопасности, однако недостаточны для соединения между собой квантовых процессоров.
«Это похоже на ранний период классического интернета в 1990-х, когда университеты впервые объединили свои сети. Это открыло путь к преобразованиям, которые никто не мог предвидеть. Квантовый интернет имеет такой же потенциал», — убежден Роберт Броберг.
Результаты исследования представлены в журнале Science
Источник: SciTechDaily
