Квантовый интернет: революционная технология связи будущего — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое квантовый интернет. Как он будет работать. Какие преимущества даст квантовая связь. Когда появится квантовый интернет. Какие проблемы предстоит решить ученым.

Содержание

Что такое квантовый интернет и зачем он нужен

Квантовый интернет — это сеть будущего, которая позволит обмениваться информацией, используя принципы квантовой механики. В отличие от обычного интернета, где данные передаются в виде битов (0 и 1), квантовый интернет будет использовать кубиты — квантовые биты, способные находиться одновременно в нескольких состояниях.

Зачем нужен квантовый интернет? Основные причины его разработки:

Обеспечение абсолютной защиты данных от взлома
Создание распределенных квантовых вычислений
Синхронизация сверхточных атомных часов
Повышение точности телескопов и других научных приборов

Принципы работы квантового интернета

В основе квантового интернета лежат два ключевых явления квантовой механики:

Суперпозиция — способность квантовых частиц находиться одновременно в нескольких состояниях

Квантовая запутанность — мгновенная взаимосвязь квантовых частиц на любом расстоянии

Благодаря этим свойствам квантовый интернет сможет обеспечить:

Мгновенную передачу данных без задержек на любые расстояния
Абсолютную защиту от перехвата информации
Возможность распределенных квантовых вычислений

Преимущества квантового интернета перед обычным

Квантовый интернет будет иметь ряд существенных преимуществ по сравнению с классическими сетями:

Абсолютная защищенность передаваемых данных. Любая попытка перехвата информации будет сразу обнаружена.
Мгновенная передача данных на любые расстояния без задержек.
Возможность распределенных квантовых вычислений огромной мощности.
Сверхточная синхронизация удаленных устройств.
Повышение точности научных приборов (телескопов, детекторов гравитационных волн и др.).

Технические проблемы создания квантового интернета

Несмотря на огромный потенциал, на пути создания полноценного квантового интернета стоит ряд серьезных технических проблем:

Сложность передачи кубитов на большие расстояния из-за декогеренции
Необходимость создания квантовых повторителей для усиления сигнала
Разработка квантовой памяти для хранения состояний кубитов
Создание эффективных квантовых интерфейсов между различными типами кубитов
Масштабирование квантовых сетей до глобальных размеров

Решение этих проблем потребует огромных усилий ученых и инженеров в ближайшие годы.

Текущее состояние разработок квантового интернета

Несмотря на сложности, работы по созданию квантового интернета активно ведутся во многих странах:

Китай запустил первый в мире спутник квантовой связи Micius и создал наземную квантовую сеть протяженностью 2000 км

В России развернута квантовая сеть длиной 700 км между Москвой и Санкт-Петербургом
В США создана 52-мильная «квантовая петля» для экспериментов
Евросоюз реализует масштабную программу Quantum Internet Alliance
Япония, Канада и другие страны разрабатывают локальные квантовые сети

Перспективы развития квантового интернета

По оценкам экспертов, развитие квантового интернета будет проходить в несколько этапов:

Создание локальных квантовых сетей в отдельных городах (2025-2030 гг.)
Объединение локальных сетей в региональные (2030-2035 гг.)
Формирование глобальной квантовой сети с наземными и спутниковыми каналами (2035-2040 гг.)
Массовое внедрение квантового интернета (после 2040 г.)

При этом квантовый интернет будет развиваться параллельно с обычным, постепенно дополняя его новыми возможностями.

Потенциальные применения квантового интернета

Квантовый интернет откроет принципиально новые возможности во многих сферах:

Финансы: абсолютно защищенные транзакции, мгновенные межбанковские переводы
Медицина: защита персональных данных пациентов, телемедицина нового уровня
Наука: распределенные квантовые вычисления, синхронизация телескопов
Связь: квантовая телепортация данных, квантовые соцсети
Безопасность: квантовая криптография, защита от квантового взлома

Многие потенциальные применения квантового интернета сегодня даже трудно представить. Эта технология может радикально изменить наш мир в ближайшие десятилетия.

Что такое квантовый интернет и в чем преимущества квантовых сетей?

Текст Павел Иевлев

Квантовые компьютеры делают только первые шаги, но квантовые сети уже на глазах становятся реальностью. Каким будет квантовый интернет?

Несмотря на то, что квантовые вычисления пока остаются в поле лабораторных экспериментов, самим фактом своего появления они уже изменили мир. Человечество с надеждой и опаской смотрит на открывающуюся крышку шкатулки квантовой Пандоры. Что оттуда вылезет, пока не до конца понятно, очевидно одно – назад ее будет уже не закрыть.

«Квантовый интернет» является «опережающим следствием» появления квантовых компьютеров. Как следствие может опережать причину? В квантовой физике еще и не такое бывает! Но в практической плоскости все тривиально – квантовых компьютеров еще толком нет, но к их появлению все должно быть готово.

Зачем интернету кванты

Квантовый интернет вызывает большой энтузиазм ученых и может коренным образом изменить роль информации в нашей жизни, но его ускоренная разработка стала отчасти вынужденным шагом. Дело в том, что квантовые вычисления переворачивают современные представления о безопасности.

Мы уже писали о том, как работают квантовые компьютеры:

Одно из важнейших следствий их появления – существующие методы шифрования информации, в том числе такой общеупотребительный, как RSA, становятся недостаточно надежны. Большинство систем криптографии, обеспечивающих безопасность подключения к Интернету, основаны на математических задачах, которые было бы непрактично решать с помощью классических компьютеров, таких как факторизация больших простых чисел. Для обычных компьютеров это годы вычислений, для квантовых – часы. Пока квантовых компьютеров слишком мало, их производительность невысока, но динамика развития позволяет предположить, что осталось недолго.

Поэтому наличие квантовых вычислительных систем требует квантового же интернета, который будет построен по другому принципу.

И квантификация всей сети!

Квантовый интернет – это гипотетическая сеть будущего, позволяющая обмениваться информацией в среде, работающей на основе правил квантовой механики. Это подразумевает новый уровень эффективности, которого просто невозможно достичь с помощью интернета на классических компьютерах, но соединять она может не только квантовые, но и другие устройства.

Квантовые сети имеют много интересных особенностей, но в практическом смысле они сводятся к двум основным преимуществам. Первое из них – принципиальная невзламываемость квантового шифрования, что выводит безопасность на новый уровень. В отличие от классических ключей, устойчивость которых относительна (любой ключ может быть вскрыт при условии достаточного времени и приложенных вычислительных мощностей, просто обычно эти условия делают взлом нерациональным), квантовые ключи защищены законами физики.

В основе концепции квантовой кибербезопасности (так называемой идеи квантового распределения ключей (QKD)) лежит процесс связи между двумя сторонами, при котором отправитель шифрует традиционные данные, кодируя их в кубиты, и передает их получателю, который затем применяет свойства кубитов для декодирования информации.

При этом легко определить, были ли данные скомпрометированы, поскольку прерывание процесса третьей стороной приводит к коллапсу кубитов.

Попытка доступа к значению кубита – это квантовый «акт наблюдателя», который нарушает его суперпозицию. Кубит изменит свое состояние, что станет сигналом взлома данных.

Несмотря на то, что квантовые вычисления в самом начале пути, квантовое шифрование уже работает – первый QKD банковский перевод был сделан еще в 2004 году. Теоретически эта технология может быть использована для отправки сообщений в чисто квантовой форме, но до этого еще далеко. Однако возможность создать парк принципиально невзламываемых ключей для шифрования классического информационного пакета саму по себе невозможно переоценить.

Вторая перспективная возможность для квантовых сетей – использование «квантовой запутанности». Два кубита могут быть синхронизированы («запутаны»), и их состояние будет взаимно изменяться вне зависимости от разделяющего их расстояния без затраты времени на взаимодействие, то есть моментально. В некотором смысле они являются одним кубитом, поэтому ограничение скорости передачи скоростью света на них не распространяется. Более того, между ними может не быть никакой физической линии связи. Это звучит как магия, но это физика.

Теоретически это позволяет создать квантовые сети моментального действия, работающие без физических задержек сигнала. Они востребованы, например, для синхронизации радиотелескопов, что дало бы более четкую картинку астрономам; для синхронизации атомных часов спутников геолокации и детекторов гравитационных волн, а также для многих других задач. (Снижение лагов в онлайн-играх в их число пока не входит, но кто знает?)

Самая грандиозная перспектива квантовой связи – соединение квантовых компьютеров в один квантовый суперкомпьютер. Последствия этого непредсказуемы, но и произойдет это не завтра.

Квантовые трудности

Разумеется, где перспективы, там и трудности. Основная проблема практического создания квантовых сетей – современные линии связи для них подходят очень ограниченно. Например, оптические кабели не полностью прозрачны. Даже при оптимальной длине волны на 50 километров оптика поглощает 90% фотонов. Чтобы преодолеть это ограничение, сигнал классических сетей проходит через цепочку усилителей. Однако для квантового сигнала это не подходит. Для кубита каждый усилитель является «наблюдателем», который изменяет состояние кубита и разрушает суперпозицию: этакий Шредингер, который стоит у конвейера, по которому едут коробки с котами из известного парадокса, и открывает каждую из них. Это одновременно и преимущество квантовой связи, которое делает ее «неподслушиваемой», и ее недостаток, ограничивающий дальность передачи длиной неразрывного проводника.

Это может быть преодолено «доверенными узлами» – они как бы «перепаковывают котиков в новые коробки», восстанавливая суперпозицию кубитов. Минус – они получают доступ к шифрованной информации. Второй способ – устройство, называемое «квантовым ретранслятором» (или «повторителем»), который соединяет два кубита, чтобы объединить их (это называется «обмен связями»). Его создание требует так называемой «квантовой памяти» ввода и вывода, которая может «захватывать» передающийся кубит и «удерживать» его до тех пор, пока он не понадобится для одновременного измерения. На сегодня эта задача не решена, хотя группа Идена Фигероа в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке сообщает о прогрессе в этой области.

Помимо технических проблем у квантового интернета есть и юридическая – законы почти всех развитых стран запрещают создание криптостойкого шифрования без бэкдоров. У каждого алгоритма, системы и так далее должен быть предусмотрен доступ для спецслужб – чтобы им не могли воспользоваться злодеи. Квантовое шифрование исключает такую возможность на уровне физики, и это парадокс не хуже кота Шредингера. Как он будет разрешен – пока непонятно.

Квантовые перспективы

У квантовых сетей есть преимущество перед квантовыми компьютерами. Их можно создавать шаг за шагом, добавляя квантовые функции к обычным сетям. В ближайшем будущем квантовый интернет будет не отдельной сетевой структурой, а дополнительным функционалом поверх существующего. Пользователи будут большую часть времени работать с обычной сетью с обычного компьютера, а подключаться к квантовой только для конкретных задач (например, финансовых операций). В настоящее время многие производители разрабатывают чипы, которые могут позволить классическому компьютеру подключаться к квантовой сети.

Основная проблема – дефицит подходящей инфраструктуры, в том числе современных оптоволоконных кабелей. По оценке ученых, это задержит распространение квантового интернета примерно на десятилетие, а подключение пользователей в крупных городах займет еще пять-десять лет.

Тем не менее, на сегодня имеются вполне значительные практические наработки в области квантовых сетей.

Китай добился прогресса в области применения квантового распределения ключей (QKD) на расстоянии 745 миль – лучший на сегодняшний день результат.

В России начала работу первая линия квантовой связи. Она имеет протяженность 700 км, что делает ее самой крупной в Европе. Строительство вели РЖД на базе собственных оптоволоконных сетей, и к 2024 году протяженность линий квантовой связи возрастет до 7000 км.

ЕС учредил для разработки стратегии квантового интернета Quantum Internet Alliance и достиг запутанности на расстоянии 31 мили.

Министерство обороны США разработало запутывание 52-мильной «квантовой петли», которая, по прогнозам, будет масштабирована до 80-мильной.

Есть ряд мелких квантовых сетей в Токио (Япония), Калгари (Канада) и Лос-Аламос (Нью-Мексико). У них всего по два или три узла, но некоторые из них достигают протяженности более 100 километров.

Квантовый интернет не придет моментально, но будет наступать шаг за шагом.

Использованные источники:

конкуренция за создание нерушимого онлайн-мира / Хабр

Развитие сверхзащищенного квантового Интернета идет полным ходом. Он может коренным образом изменить роль информации в нашей жизни и создать всемирный квантовый суперкомпьютер.

Многие из наших сфер жизни идут онлайн. Банки, рабочая почта, социальные сети, анкеты знакомств, медицинские записи – все это жизненно важная и конфиденциальная информация. Так что тот факт, что в Интернете есть фатальная брешь в безопасности, совсем не радует.

Это способствует развитию нового, более безопасного Интернета с квантовой защитой. Эта система сможет сделать гораздо больше, чем просто защитить ваши данные. Она предоставит квантовые программы и может стать скелетом квантового компьютера невообразимой мощности по всему миру.

Развитие квантового Интернета – это огромная и многогранная инженерная задача, ее основы уже закладываются. Волоконно-оптические сети расширяются. Исследователи тайно болтают в локальных сетях. Планируется даже использовать небольшие спутники для квантовой связи на большие расстояния. Рано или поздно мы все сможем присоединиться к квантовой информационной супермагистрали.

Человеческая культура и промышленность издавна основывались на информации. Получение правильной информации, ее понимание и обмен дает нам силу и прибыль. Развитие Интернета утвердило роль информации, и мы только начинаем ощущать ее влияние.

В обычных компьютерах используются цифровые единицы – биты. Это объем информации, который поступает, например, в результате подбрасывания монеты, и обычно обозначается как 1 или 0. Все электронные письма, обновления статуса или фотографии на вашем телефоне состоят из битов.

Работа с кубитами

С точки зрения квантового мира такой метод очень ограничен, потому что здесь, как известно, частицы ведут себя очень странно. Атом, электрон или фотон могут находиться в состоянии, в котором его свойства не определены. Например, частицы могут иметь одновременно две энергии. Эти квантовые состояния чрезвычайно хрупкие, но, научившись ими манипулировать, частицы можно использовать для хранения единицы квантовой информации – кубита, который кодирует не только 0 либо 1, но и любую комбинацию 0 или 1.

Увеличивая нашу способность делать это, мы уже разработали впечатляющие технологии, такие как сверхчувствительные датчики силы тяжести и магнитного поля. Физики уже могут управлять десятками кубитов одновременно и разрабатывают прототипы квантовых компьютеров. По мере роста они обещают превзойти любые классические компьютеры, которые когда-либо могли быть созданы – по крайней мере, для определенных типов вычислений. Среди прочего, квантовые компьютеры должны уметь моделировать химические реакции, разрабатывать новые лекарства и современные материалы, а также решать запутанные инженерные и логистические проблемы. Их полный потенциал пока не известен.

Но мы знаем одно – с появлением этих невероятных машин нам понадобится квантовый Интернет, потому что именно квантовые компьютеры угрожают нашей безопасности. Большинство схем шифрования, обеспечивающих безопасность подключения к Интернету, основаны на математических задачах, которые было бы непрактично решить с помощью классических компьютеров, таких как факторизация больших простых чисел. Но достаточно большой квантовый компьютер, использующий алгоритм, разработанный в 1994 году математиком Массачусетского технологического института Питером Шором, справился бы с такой задачей. Это подорвет безопасность всего, что связано с подключением к Интернету, от электронной почты до электросетей.

«Большая часть критически важной инфраструктуры по-прежнему зависит от этих алгоритмов, включая мой банк», — говорит Сиддхарт Джоши из Бристольского университета в Великобритании.

Столь опасно мощную квантовую машину, вероятно, можно будет ожидать не раньше, чем через 10-20 лет, но актуальность проблемы от этого не меньше. Изменение системы шифрования занимает много времени, и данные, которые вы сейчас отправляете, могут быть перехвачены, сохранены и дешифрованы, когда появятся достаточно мощные квантовые компьютеры.

Сиддхарт Джоши и другие хотят отбивать кубиты кубитами. При использовании квантовых состояний отдельных частиц для связи отправленные сообщения не могут быть украдены, потому что сам мониторинг сигнала изменяет чувствительные состояния. Это не заменит Интернет, а лишь дополнит уровень квантовой связи в нем, позволяющий пользователям обмениваться секретными ключами шифрования. Интернет-трафик будет продолжать передаваться по кабелям, как сейчас, и эти ключи будут зашифрованы и декодированы.

Такое квантовое шифрование, называемое квантовым распределением ключей (QKD), было продемонстрировано несколько раз за последние несколько десятилетий. Первый QKD банковский перевод был сделан в 2004 году. Существует множество различных схем, но одна из самых безопасных основана на явлении квантового связывания. Первоначально двум кубитам дается общее квантовое состояние, которое при правильном измерении предсказуемо изменяет результат измерения пары частиц, где бы эти две частицы ни находились. Предположим, эти два кубита – фотоны. Одна из парных пар с оптическим кабелем может быть заменена на безопасный ключ.

Связи, в которых используется гораздо больше связанных кубитов, можно было бы использовать еще более впечатляюще, скажем, для отправки сообщений в чисто квантовой форме. В краткосрочной перспективе возможности квантовых вычислений, вероятно, будут скромными и будут находиться далеко от, скажем, университетов или исследовательских центров. Но квантовые коммуникационные соединения могут соединить их всех с квантовым суперкомпьютером. Кроме того, пользователи смогут запускать программы на квантовых компьютерах таким образом, чтобы гарантировать их безопасность и не позволить шпионить за владельцами компьютеров. Это называется слепыми квантовыми вычислениями, поэтому любой может использовать квантовые компьютеры, не опасаясь утечки конфиденциальных данных.

Шепот бриллиантов

Зерно приближающегося квантового Интернета было посеяно в лаборатории в Делфте, Нидерланды. Там три маленьких ромба шепчутся друг с другом, образуя миниатюрный, но полностью функциональный прототип сети взаимосвязанных связей. Есть дефект в решетке атомов углерода каждого алмаза, в котором расположен один атом азота. Оттуда пара электронов может испустить связанный с ними фотон. Кроме того, каждый алмаз содержит один кубит квантовой памяти, что позволяет выполнять базовую обработку квантовой информации.

В статье, опубликованной Рональдом Хэнсоном и его командой из исследовательского института QuTech в Делфте, продемонстрировали объединение трех алмазов в сеть и передачу квантовой информации между ними. В принципе, эта технология может быть расширена, а возможность подключения может быть распределена между любым количеством узлов.

«Это основная функция, которую должен выполнять квантовый Интернет», — говорит Хэнсон.

Необязательно использовать бриллианты. Другие группы изучают другие способы создания и объединения кубитов. В Бристоле группа Джоши продемонстрировала способность распределять квантовые ключи среди восьми пользователей на расстоянии нескольких километров друг от друга, и все связанные фотоны были получены от одного и того же лазера. По словам Джоши, можно будет расширить зону покрытия в городе до нескольких сотен человек.

Пока что он продемонстрировал QKD и некоторые аналогичные протоколы, но уверяет, что с использованием более сложных модулей приема связанных фотонов сеть может поддерживать, среди прочего, слепые квантовые вычисления.
Есть ряд других, пока еще не развернутых квантовых сетей, таких как Токио (Япония), Калгари (Канада) и Лос-Аламос (Нью-Мексико). У них в основном всего два или три узла, и они ограничены QKD. Однако их радиус действия увеличивается, и некоторые из них достигают более 100 километров. Все мечтают расширить их и соединить миллионы пользователей по всему миру, предоставив сверхзащищенные пути шифрования в разные страны на всех континентах.

Это можно сделать с помощью существующей оптоволоконной сети, которая теперь передает весь Интернет-трафик и другие телекоммуникационные данные. Но есть серьезное препятствие: оптические кабели не полностью прозрачны. Даже при оптимальной длине волны света 50 километров оптических волокон поглощают около 90% фотонов. Таким образом, оптоволоконный квантовый Интернет может быть передан в лучшем случае на несколько сотен километров. В существующей волоконной оптике сигнал усиливается. «Но квантовый сигнал не может быть отправлен через усилитель», — сказал Тим Спиллер из Йоркского университета, Великобритания, который возглавляет межведомственный центр квантовых коммуникаций в стране. По сути, усилители измеряют сигнал, который, в свою очередь, теряет тонкие квантовые данные.

Чтобы расширить охват QKD, можно было бы полагаться на доверенные узлы, устройства, которые передают сообщение, сначала расшифровывая его и шифруя для пересылки в другой оптоволоконный сегмент. Китай уже построил впечатляющую сеть, магистраль протяженностью 2000 километров с 32 надежными узлами между Пекином и Шанхаем и сотнями соединений. Задача решена? Не совсем. Каждый узел представляет угрозу утечки сообщений. Более того, он не подходит для слепых квантовых вычислений, например, потому что исходная квантовая информация в каждом узле исчезает.

Устройство, называемое квантовым ретранслятором, необходимо для передачи квантовой информации повсюду. Представьте себе двух пользователей – Колю и Петю, которые хотят поговорить. Каждый из них создает пару связанных кубитов и отправляет одну из своих пар через квантовый повторитель посередине между ними. Повторитель одновременно выполняет определенные измерения состояний двух полученных кубитов, чтобы объединить их. Согласно правилам квантовой физики, он соединяет два кубита, оставленные Колей и Петей – процесс, называемый обменом связями. Выстраивая квантовые повторители, связанные кубиты могут быть намного дальше друг от друга.

О, если бы у нас был квантовые ретрансляторы. Он были в списке желаний ученых много лет, но оказалось очень сложно их создать. Но в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке Иден Фигероа и его группа берутся за решение этой головоломки. Важным компонентом этого устройства является так называемая квантовая память ввода и вывода, которая может захватывать летающий кубит и удерживать его до тех пор, пока он не понадобится для одновременного измерения. Квантовая память Фигероа основана на облаке атомов, которые могут проделывать такой трюк с фотоном. Это устройство также должно регистрировать захват фотонов, не нарушая чувствительного квантового состояния частицы. В прошлом году Фигероа и его коллеги показали, что они могут сделать это, послав еще один фотон, который очень слабо взаимодействует с защищенным фотоном.

Такая квантовая память имеет три основных практических преимущества. Это портативные 40-сантиметровые модули. Они работают при комнатной температуре, а не на морозе, где должно храниться большинство других устройств с атомным облаком. Кроме того, они могут работать на частотах, используемых в телекоммуникациях, как эта команда продемонстрировала в прошлом году, подключив два таких устройства на расстоянии 158 километров. «Мы приближаемся к обмену взаимосвязями, когда все должно работать вместе», — говорит Фигероа. Полезные репитеры не только должны будут все это делать, но и делать это очень качественно.

Даже с усиленными ретрансляторами волоконно-оптический квантовый Интернет не будет гладким. Теперь самые большие проблемы будут связаны с подключениями к океанскому дну, поскольку эти оптоволоконные кабели теперь оснащены усилителями сигналов, которые «убивают» кубиты. При прокладке специальных квантовых кабелей в них должны быть квантовые повторители, которые должны надежно работать долгое время.
Итак, исследователи обращают свой взор на спутниковые квантовые вязальщики. Китай является лидером в этой области, запустив в 2016 году спутник Micius с оборудованием квантовой связи. «Когда Мициус встал, все сели», — говорит Дэниел Ои из Университета Стратклайда, Великобритания.

В 2017 году Micius зашифровал видеоконференцсвязь между Пекином и Веной, используя определенную версию QKD с высокой пропускной способностью, но сам спутник действует как надежный узел. Для некоторых пользователей это подойдет, например, правительствам или корпорациям, которые могут позволить себе использовать свои собственные спутники, но это не гарантирует безопасность для всех пользователей будущего широко подключенного квантового Интернета. Затем, в 2019 году, Micius использовался для создания связи между двумя наземными станциями в Китае, расположенными на расстоянии 1200 километров друг от друга, Nanshan и Delingha, путем перераспределения каждой пары связанных фотонов и отправки по одному на каждую станцию. Эта форма QKD чрезвычайно безопасна. Даже если спутник будет взломан, перехватить ключ не удастся.

Обратной стороной является то, что он работает медленно. Стороны могут использовать парную пару фотонов только тогда, когда они достигаются обоими фотонами, и при любой спутниковой связи большая часть света теряется, потому что фотоны не попадают в приемник или поглощаются атмосферой. Наземные станции Китая расположены высоко и используют в качестве приемников большие телескопы, а спутник генерирует около 6 миллионов пар связанных фотонов в секунду. Но даже в этом случае секретный ключ генерировался со скоростью лишь доли бит в секунду. Цзянь-Вэй Пан из Китайского университета науки и технологий Хэфэй, который работает с Micius, говорит, что теперь он работает над увеличением скорости с помощью некоторых улучшений, в том числе более ярких связанных источников света.

Квантовая сборка

И Пан, и Ои представляют себе сеть со множеством квантовых терминалов, включая корабли и самолеты. «Если будет много наземных станций, несколько больших спутников не смогут обслуживать их все», — говорит Ох. Вместо этого необходима разветвленная сеть малых спутников. Маршрут уже назван несколькими проектами, в том числе британо-сингапурской миссией SPEQTRE и спутником, разработанным частным консорциумом ROKS. Оба должны быть запущены в 2022 году.

Чтобы объединить все это оборудование в глобальную квантовую сеть, нам понадобится программное обеспечение, которое мы можем использовать в классическом Интернете. Теперь данные передаются по нескольким сетям на уровне программного обеспечения, поэтому обычному пользователю не нужно об этом беспокоиться. Стефани Венер из QuTech – одна из создательниц квантовой сети. И самое интересное – гаджеты. Мы до сих пор не знаем, что они смогут сделать. Новые виды игр? Новые формы общения?

Когда эти необычные технологии окружают мир, мы можем сначала даже не заметить. Их влияние должно быть в основном при отсутствии проблем: мы не потеряем свои банковские счета, выборы не будут взломаны, свет не погаснет. В конечном итоге будет более ощутимая польза, особенно для науки. Благодаря каналам квантовых данных телескопы могли бы обмениваться информацией без каких-либо задержек, а астрономы могли получить более четкое изображение Вселенной. Они могли более точно синхронизировать атомные часы и, таким образом, повысить чувствительность детекторов гравитационных волн. Не говоря уже о соединении квантовых компьютеров, увеличивая их мощность.

«Квантовая сеть, с другой стороны, еще больше заслонит темную сеть, и некоторые не откажутся от нее. Террористы могут использовать слепые квантовые вычисления для создания нового оружия — и никто об этом не узнает. Правительство могло бы установить резервный вход к такому оборудованию, «но это вообще все обесценит», — говорит Венер.

Возможно, эта новая форма Интернета сделает мир безопаснее, а может и более опасным…

Да, действительно, квантовый интернет может стать нашим ближайшим будущим, а в настоящее время мы наблюдаем всплеск развития IT-индустрии и дефицит специалистов. Если прямо сейчас вы решаете какую профессию освоить и выбираете подходящий курс, предлагаем ознакомиться со специальным предложением от OTUS. До конца месяца у нас действует скидка на все курсы.

Напишите в чат нашему менеджеру и получите индивидуальное предложение.

ОЗНАКОМИТЬСЯ С ПОЛНЫМ СПИСКОМ КУРСОВ

Что такое квантовый интернет?

Серия объяснений

Узнайте больше о прорывах, впервые реализованных в Чикагском университете

К Эндрю Неллис

8 декабря 2022 г.

Примечание редактора: это часть серии под названием «Начался завтрашний день», в которой рассказывается об истории прорывов в Университете Чикаго. Узнайте больше здесь.

Квантовый интернет — это сеть квантовых компьютеров, которые когда-нибудь будут отправлять, вычислять и получать информацию, закодированную в квантовых состояниях. Квантовый интернет не заменит современный или «классический» интернет; вместо этого он предоставит новые функции, такие как квантовая криптография и квантовые облачные вычисления.

Хотя полные последствия квантового интернета не будут известны в течение некоторого времени, несколько приложений были теоретически разработаны, а некоторые, такие как квантовое распределение ключей, уже используются. Пока неясно, когда будет развернут полномасштабный глобальный квантовый интернет, но, по оценкам исследователей, межгосударственные квантовые сети будут созданы в Соединенных Штатах в ближайшие 10-15 лет.

Перейти к разделу:

Что такое квантовый интернет?
Как работает квантовый интернет?
Что может квантовый интернет?
Насколько далеко квантовый интернет?
Что еще нужно для построения квантового интернета?

Что такое квантовый интернет?

Квантовый интернет — это предполагаемая и пользующаяся большим спросом сеть взаимосвязанных квантовых компьютеров, которая однажды позволит людям отправлять, вычислять и получать информацию с использованием квантовых технологий.

Цель квантового интернета не в том, чтобы заменить Интернет, который мы знаем сегодня, а в том, чтобы вместо этого создать сосуществующую сеть, которую можно использовать для решения определенных типов проблем.

Ученые считают, что это будет особенно полезно для задач, связанных со многими переменными, таких как анализ финансовых рисков, шифрование данных и изучение свойств материалов.

Исследователи сомневаются, что в ближайшем будущем люди будут владеть персональными квантовыми компьютерами. Вместо этого они будут размещены в академических учреждениях и частных компаниях, где к ним можно будет получить доступ через облачный сервис.

Как работает квантовый интернет?

Квантовые компьютеры используют фундаментальные единицы информации, подобные битам, используемым в классических вычислениях. Они называются «кубитами».

Однако, в отличие от обычных компьютерных битов, которые передают информацию как 0 или 1, кубиты передают информацию через комбинацию квантовых состояний, которые являются уникальными условиями, встречающимися только на субатомном уровне.

Например, одно квантовое состояние, которое можно использовать для кодирования информации, — это свойство, называемое «спин», которое представляет собой собственный угловой момент электрона. Вращение можно представить себе как крошечную стрелку компаса, которая указывает либо вверх, либо вниз. Исследователи могут манипулировать этой иглой, чтобы кодировать информацию в сами электроны, как они это делают с обычными битами, но в этом случае информация кодируется комбинацией возможных состояний. Кубиты — это не 0 и не 1, а и то и другое, и ни то, ни другое в квантовом явлении, называемом суперпозицией.

Это позволяет квантовым компьютерам обрабатывать информацию совершенно иначе, чем их обычные аналоги, и, следовательно, они могут решать определенные типы задач, на решение которых даже у самых больших суперкомпьютеров ушли бы десятилетия. Это такие задачи, как разложение больших чисел на множители или решение сложных логистических расчетов (см. задачу коммивояжера). Квантовые компьютеры были бы особенно полезны для криптографии, а также для открытия новых типов фармацевтических препаратов или новых материалов для солнечных элементов, батарей или других технологий.

Но чтобы раскрыть этот потенциал, квантовый компьютер должен быть способен обрабатывать большое количество кубитов — больше, чем любая отдельная машина может обработать в данный момент. То есть, если несколько квантовых компьютеров не могут быть объединены через квантовый интернет и объединены их вычислительные мощности, создавая гораздо более мощную систему.

В разработке находится несколько различных типов кубитов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее распространенными кубитами, изучаемыми сегодня, являются квантовые точки, ионные ловушки, сверхпроводящие схемы и дефектные спиновые кубиты.

Что может квантовый интернет?

Как и многие научные достижения, мы не поймем всего, на что способен квантовый интернет, пока он не будет полностью разработан.

Немногие могли представить 60 лет назад, что горстка соединенных между собой компьютеров однажды создаст обширный цифровой ландшафт, который мы знаем сегодня. Квантовый интернет представляет собой подобное неизвестное, но ряд приложений был теоретизирован, а некоторые уже продемонстрированы.

Ученые считают, что благодаря уникальным квантовым свойствам кубитов квантовый интернет значительно улучшит информационную безопасность, сделав практически невозможным перехват и расшифровку квантово-зашифрованных сообщений. Распределение квантовых ключей, или QKD, — это процесс, посредством которого две стороны совместно используют криптографический ключ по квантовой сети, который не может быть перехвачен. Несколько частных компаний уже предлагают этот процесс, и его даже использовали для обеспечения безопасности национальных выборов.

В то же время квантовые компьютеры представляют угрозу для традиционной зашифрованной связи. RSA, текущий стандарт защиты конфиденциальной цифровой информации, практически невозможно взломать современными компьютерами; однако квантовые компьютеры с достаточной вычислительной мощностью могут преодолеть шифрование RSA за считанные минуты или секунды.

Полностью реализованная квантовая сеть может значительно повысить точность научных инструментов, используемых для изучения определенных явлений. Воздействие такой сети будет широкомасштабным, но ранний интерес был сосредоточен на гравитационных волнах от черных дыр, микроскопии и электромагнитных изображениях.

Создание чисто квантового интернета также уменьшит потребность в квантовой информации для перехода между классическими и квантовыми системами, что является значительным препятствием в современных системах. Вместо этого он позволил бы набору отдельных квантовых компьютеров обрабатывать информацию как единая машина-конгломерат, что дало бы им гораздо большую вычислительную мощность, чем любая отдельная система могла бы управлять самостоятельно.

«Квантовый интернет представляет собой сдвиг парадигмы в том, как мы думаем о безопасной глобальной связи», — сказал Дэвид Авшалом, профессор молекулярной инженерии и физики Чикагского университета, директор Чикагской квантовой биржи и директор Q- NEXT, Центр квантовой информации Министерства энергетики в Аргонне. «Возможность создать запутанную сеть квантовых компьютеров позволила бы нам отправлять зашифрованные сообщения, которые невозможно взломать, поддерживать идеальную синхронизацию технологий на больших расстояниях с помощью квантовых часов и решать сложные проблемы, с которыми мог бы справиться один квантовый компьютер — и это всего лишь некоторые из приложений, о которых мы знаем прямо сейчас. В будущем, вероятно, будут удивительные и важные открытия с использованием квантовых сетей».

Насколько далеко квантовый интернет?

На сегодняшний день никому не удалось успешно создать устойчивую квантовую сеть в больших масштабах, но были достигнуты значительные успехи.

В 2017 году исследователи из Университета науки и технологии Китая использовали лазеры для успешной передачи запутанных фотонов между спутником на орбите и наземными станциями на расстоянии более 700 миль ниже. Эксперимент показал возможность использования спутников для создания части квантовой сети, но система смогла восстановить только один фотон из каждых 6 миллионов — слишком мало для надежной связи.

В апреле 2019 года ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории, Университета Стоуни-Брук и Сети энергетических наук Министерства энергетики США достигли запутанности на расстоянии более 10 миль с помощью портативных источников квантовой запутанности и оптоволоконной сети. С тех пор их эксперимент расширился до испытательного стенда квантовой сети протяженностью 80 миль.

В январе 2020 года исследователи из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории успешно протестировали квантовую петлю протяженностью 54 мили, в которой используется существующий оптоволоконный кабель, проложенный под западными пригородами Чикаго. Проект продемонстрировал базовую функциональность, необходимую для линии квантовой сети, путем передачи оптических импульсов с задержкой всего 200 миллисекунд. Создав петлю, исследователи начали тестировать более широкий спектр квантовых устройств.

В июне 2022 года к сети Чикаго было добавлено 35-мильное расширение, что сделало ее одной из самых длинных в стране. В настоящее время сеть состоит из шести узлов и 124 миль оптического волокна, передающего частицы, несущие квантово-кодированную информацию, между Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США в пригороде Лемонт и двумя зданиями в южной части Чикаго, одним в кампусе Калифорнийского университета в Чикаго и другой в штаб-квартире CQE в районе Гайд-парка.

Расширенная сеть Чикаго представляет собой существенный скачок в масштабе квантовых сетей и закладывает основу для еще более крупных межгосударственных систем.

Что еще нужно для построения квантового интернета?

Хотя квантовый интернет вышел за рамки теории, ученые все еще совершенствуют большую часть его основного оборудования, включая компоненты, отвечающие за генерацию, передачу и синхронизацию кубитов.

Кубиты закодированы в квантовых состояниях субатомных частиц, и эти квантовые состояния легко разрушаются внешними силами, такими как вибрация или колебания температуры. Когда квантовое состояние нарушается, оно теряет всю информацию, которую оно несло. Многие типы квантовых компьютеров должны быть изолированы и охлаждены почти до абсолютного нуля, чтобы предотвратить это, что является дорогостоящим.

Один из способов обойти криогенное хранение — использовать совершенно другой тип кубитов — тот, который может функционировать при комнатной температуре, например дефектные спиновые кубиты. Они создаются из невероятно твердых материалов, таких как алмаз или карбид кремния, и производятся с определенным дефектом в их молекулярной структуре. Затем молекула внутри этого дефекта используется для хранения квантовой информации. Дэвид Авшалом, семейный профессор молекулярной инженерии и физики Чикагского университета и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории, добился многочисленных прорывов в этой области; например, в феврале 2022 года он и его команда объявили, что они могут поддерживать квантовое состояние кубита со спиновым дефектом в течение пяти секунд при 5K — новый рекорд для этого класса устройств — и считывать информацию, хранящуюся в кубите, по запросу.

Чтобы выйти за пределы региональной сети, подобной той, что строится в Чикаго, ученые должны найти способ усиления квантового сигнала — особенно сложная задача, учитывая природу квантовых состояний. В классическом Интернете всякий раз, когда сигнал ослабевает, репитер может захватить и повторно передать его. К сожалению, захват или попытка дублирования запутанного фотона уничтожит его из-за того, что известно как «теорема об отсутствии клонирования».

Исследователи активно изучают несколько методов повторения квантового сигнала без его разрушения. Например, Тянь Чжун, доцент Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) в Калифорнийском университете в Чикаго, считает, что это можно сделать, развернув квантовую память, которая может защитить квантовую информацию от декогеренции, по сути, создав квантовые реле, чтобы сохранить кубиты нетронутыми, пока они не достигнут своей цели. место назначения. Такая система теоретически позволит квантовой связи путешествовать по всему миру.

Перемещение кубитов из одного места в другое потребует некоторой формы физического соединения, по крайней мере на начальном этапе, и в последние годы в качестве наиболее вероятных кандидатов появились два варианта: спутниковая передача и оптоволоконный кабель. Из этих двух вариантов оптоволокно является гораздо более дешевым и распространенным вариантом.

Лаборатории по всему миру уже приступили к тестированию волоконно-оптических сетей, включая петлю протяженностью 124 мили в Чикаго, которая соединяет Аргоннскую национальную лабораторию в пригороде Лемонт, Чикагский университет в Гайд-парке, штаб-квартиру Чикагской квантовой биржи и две другие здания на юге Чикаго. Сеть, которая была расширена весной 2022 года, является одной из крупнейших в мире, и планируется дальнейшее расширение, которое свяжет Национальную ускорительную лабораторию Ферми.

Верхнее фото Жана Лаша

Что такое квантовый интернет? Все, что вам нужно знать о странном будущем квантовых сетей

Все это может звучать как научная фантастика, но создание квантовых сетей является ключевой задачей для многих стран мира. Недавно Министерство обороны США (DoE) опубликовало первый в своем роде план, в котором изложена пошаговая стратегия воплощения мечты о квантовом Интернете, по крайней мере, в очень предварительной форме, в течение следующих нескольких лет.

США присоединились к ЕС и Китаю, проявив большой интерес к концепции квантовых коммуникаций. Но что такое квантовый интернет, как он работает и какие чудеса он может совершить?

ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВЫЙ ИНТЕРНЕТ?

Квантовый интернет — это сеть, которая позволит квантовым устройствам обмениваться некоторой информацией в среде, использующей странные законы квантовой механики. Теоретически это дало бы квантовому интернету беспрецедентные возможности, которые невозможно реализовать с помощью современных веб-приложений.

ПОСМОТРЕТЬ: Управление искусственным интеллектом и машинным обучением на предприятии 2020: технические лидеры увеличивают разработку и реализацию проектов (TechRepublic Premium)

В квантовом мире данные могут быть закодированы в состоянии кубитов, создаются в квантовых устройствах, таких как квантовый компьютер или квантовый процессор. Проще говоря, квантовый интернет будет включать отправку кубитов по сети из нескольких квантовых устройств, которые физически разделены. Важно отметить, что все это произойдет благодаря дурацким свойствам, уникальным для квантовых состояний.

Похоже на обычный интернет. Но отправка кубитов по квантовому каналу, а не по классическому, фактически означает использование поведения частиц в их наименьшем масштабе — так называемых «квантовых состояний», которые десятилетиями вызывали восторг и тревогу у ученых.

И законы квантовой физики, лежащие в основе того, как информация будет передаваться в квантовом Интернете, просто незнакомы. На самом деле они странные, противоречащие интуиции, а временами даже кажутся сверхъестественными.

Итак, чтобы понять, как работает квантовая экосистема Интернета 2.0, вам, возможно, захочется забыть все, что вы знали о классических вычислениях. Потому что мало что из квантового интернета напомнит вам о вашем любимом веб-браузере.

КАКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ МОЖНО ОБМЕНЯТЬСЯ С Quantum?

Короче говоря, не так много, к чему привыкло большинство пользователей. Поэтому, по крайней мере, в течение следующих нескольких десятилетий вам не следует ожидать, что однажды вы сможете прыгать на квантовые собрания Zoom.

Центральное место в квантовой коммуникации занимает тот факт, что кубиты, использующие фундаментальные законы квантовой механики, ведут себя совершенно иначе, чем классические биты.

Поскольку он кодирует данные, классический бит может фактически находиться только в одном из двух состояний. Точно так же, как выключатель света должен быть либо включен, либо выключен, и точно так же, как кошка должна быть либо мертва, либо жива, бит имеет , чтобы быть либо 0, либо 1.

Не так много с кубитами. Вместо этого кубиты накладываются друг на друга: они могут быть 0 и 1 одновременно, в особом квантовом состоянии, которого нет в классическом мире. Это немного похоже на то, как если бы вы могли быть и слева, и справа от вашего дивана в один и тот же момент.

Парадокс заключается в том, что простое измерение кубита означает, что ему присваивается состояние. Измеренный кубит автоматически выходит из своего двойственного состояния и переводится в 0 или 1, как классический бит.

Все явление называется суперпозицией и лежит в основе квантовой механики.

Неудивительно, что кубиты нельзя использовать для отправки привычных нам данных, таких как электронная почта и сообщения WhatsApp. Но странное поведение кубитов открывает огромные возможности в других, более нишевых приложениях.

КВАНТОВАЯ (БЕЗОПАСНАЯ) СВЯЗЬ

Одно из самых захватывающих направлений, которое изучают исследователи, вооруженные кубитами, — это безопасность.

Когда дело доходит до классической связи, большая часть данных защищена путем распространения общего ключа между отправителем и получателем, а затем использования этого общего ключа для шифрования сообщения. Затем получатель может использовать свой ключ для декодирования данных на своем конце.

Безопасность большинства классических коммуникаций сегодня основана на алгоритме создания ключей, которые хакерам трудно взломать, но возможно. Вот почему исследователи стремятся сделать этот коммуникационный процесс «квантовым». Эта концепция лежит в основе новой области кибербезопасности, называемой квантовым распределением ключей (QKD).

QKD работает, когда одна из двух сторон шифрует часть классических данных, кодируя криптографический ключ в кубиты. Затем отправитель передает эти кубиты другому человеку, который измеряет кубиты, чтобы получить ключевые значения.

SEE: Великобритания строит свой первый коммерческий квантовый компьютер

Измерение вызывает коллапс состояния кубита; но важно значение, которое считывается в процессе измерения. Кубит в некотором роде предназначен только для передачи значения ключа.

Что еще более важно, QKD означает, что легко выяснить, не подслушивала ли третья сторона кубиты во время передачи, поскольку злоумышленник мог бы вызвать коллапс ключа, просто взглянув на него.

Если хакер взглянет на кубиты в любой момент их отправки, это автоматически изменит состояние кубитов. Шпион неизбежно оставит после себя след подслушивания, поэтому криптографы утверждают, что QKD «доказуемо» безопасна.

ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЙ ИНТЕРНЕТ?

Технология QKD находится на очень ранней стадии. «Обычный» способ создания КРК на данный момент состоит в однонаправленной отправке кубитов к приемнику по оптоволоконным кабелям; но они значительно ограничивают эффективность протокола.

Кубиты могут легко потеряться или разбросаться по оптоволоконному кабелю, а это означает, что квантовые сигналы очень подвержены ошибкам и с трудом передаются на большие расстояния. Текущие эксперименты, по сути, ограничены диапазоном в сотни километров.

Есть еще одно решение, и именно оно лежит в основе квантового интернета: использовать еще одно квантовое свойство, называемое запутанностью, для связи между двумя устройствами.

Когда два кубита взаимодействуют и запутываются, они обладают определенными свойствами, которые зависят друг от друга. Пока кубиты находятся в запутанном состоянии, любое изменение одной частицы в паре приведет к изменению другой, даже если они физически разделены.

Таким образом, состояние первого кубита можно «прочитать», посмотрев на поведение его запутанного аналога. Правильно: даже Альберт Эйнштейн назвал все это «жутким действием на расстоянии».

А в контексте квантовой связи запутанность может фактически телепортировать некоторую информацию из одного кубита в его запутанную другую половину без необходимости физического канала, соединяющего два кубита во время передачи.

КАК РАБОТАЕТ ЗАПУТАННОСТЬ?

Сама концепция телепортации по определению подразумевает отсутствие физического сетевого моста между взаимодействующими устройствами. Но остается то, что запутанность нужно сначала создать, а потом поддерживать.

Для проведения КРК с использованием запутывания необходимо построить соответствующую инфраструктуру, чтобы сначала создать пары запутанных кубитов, а затем распределить их между отправителем и получателем. Это создает канал «телепортации», по которому можно обмениваться криптографическими ключами.

В частности, после того, как запутанные кубиты были сгенерированы, вы должны отправить половину пары получателю ключа. Например, запутанный кубит может перемещаться по оптоволоконной сети; но они не могут поддерживать запутанность примерно через 60 миль.

Кубиты также могут быть запутаны на больших расстояниях с помощью спутников, но покрытие планеты космическими квантовыми устройствами обходится дорого.

Таким образом, по-прежнему стоят огромные инженерные задачи по созданию крупномасштабных «сетей телепортации», которые могли бы эффективно связывать кубиты по всему миру. Как только сеть запутывания будет создана, волшебство может начаться: связанным кубитам больше не нужно будет проходить через какую-либо физическую инфраструктуру, чтобы доставить свое сообщение.

Таким образом, во время передачи квантовый ключ будет практически невидим для третьих лиц, его невозможно будет перехватить, и он надежно «телепортируется» из одной конечной точки в другую. Идея найдет отклик в отраслях, которые имеют дело с конфиденциальными данными, таких как банковское дело, здравоохранение или авиационная связь. И вполне вероятно, что правительства, располагающие сверхсекретной информацией, также первыми примут эту технологию.

ЧТО ЕЩЕ МОЖНО СДЕЛАТЬ С КВАНТОВЫМ ИНТЕРНЕТОМ?

‘Зачем заморачиваться с запутыванием?’ Вы можете спросить. Ведь исследователи могли просто найти пути улучшения «обычной» формы КРК. Квантовые повторители, например, могли бы значительно увеличить расстояние связи в оптоволоконных кабелях, не заходя так далеко, чтобы запутывать кубиты.

Это без учета огромного потенциала, который запутанность может иметь для других приложений. QKD — наиболее часто обсуждаемый пример того, чего может достичь квантовый интернет, потому что это наиболее доступное применение технологии. Но безопасность — далеко не единственная сфера, вызывающая ажиотаж у исследователей.

Сеть запутывания, используемая для КРК, также может быть использована, например, для обеспечения надежного способа создания квантовых кластеров из запутанных кубитов, расположенных в разных квантовых устройствах.

Исследователям не понадобится особенно мощное квантовое оборудование для подключения к квантовому Интернету — на самом деле, даже процессор с одним кубитом может справиться с этой задачей. Но, соединив вместе квантовые устройства, которые в их нынешнем виде имеют ограниченные возможности, ученые рассчитывают создать квантовый суперкомпьютер, который превзойдет их все.

ПОСМОТРЕТЬ: Руководство, как стать чемпионом цифровой трансформации (TechRepublic Premium)

Таким образом, соединив множество квантовых устройств меньшего размера, квантовый интернет может начать решать проблемы, которые в настоящее время невозможно решить с помощью одного квантовый компьютер. Это включает в себя ускорение обмена огромными объемами данных и проведение крупномасштабных экспериментов по зондированию в астрономии, открытии материалов и науках о жизни.

По этой причине ученые убеждены, что мы сможем воспользоваться преимуществами квантового интернета еще до того, как технологические гиганты, такие как Google и IBM, даже достигнут квантового превосходства — момент, когда один квантовый компьютер решит проблему, неразрешимую для классического компьютера. .

Самые передовые квантовые компьютеры Google и IBM в настоящее время содержат около 50 кубитов, что само по себе намного меньше, чем необходимо для выполнения феноменальных вычислений, необходимых для решения проблем, которые надеются решить квантовые исследования.

С другой стороны, объединение таких устройств посредством квантовой запутанности может привести к созданию кластеров стоимостью в несколько тысяч кубитов. Для многих ученых создание такой вычислительной мощности на самом деле является конечной целью проекта квантового интернета.

ЧТО МЫ НЕ МОЖЕМ СДЕЛАТЬ С КВАНТОВЫМ ИНТЕРНЕТОМ?

В обозримом будущем квантовый интернет нельзя будет использовать для обмена данными так, как мы сейчас это делаем на наших ноутбуках.

Для того, чтобы представить обобщенный, массовый квантовый интернет, потребуется предвидеть несколько десятилетий (или более) технологических достижений. Как бы ученые ни мечтали о будущем квантового интернета, невозможно провести параллели между проектом в его нынешнем виде и тем, как мы просматриваем веб-страницы каждый день.

Сегодня многие исследования в области квантовых коммуникаций посвящены выяснению того, как наилучшим образом кодировать, сжимать и передавать информацию благодаря квантовым состояниям. Квантовые состояния, конечно, известны своей необычайной плотностью, и ученые уверены, что один узел может телепортировать большое количество данных.

Но тип информации, которую ученые рассматривают для отправки через квантовый Интернет, имеет мало общего с открытием почтового ящика и прокруткой электронных писем. И на самом деле, замена классического интернета — это не то, к чему стремится технология.

Исследователи скорее надеются, что квантовый интернет будет стоять рядом с классическим интернетом и будет использоваться для более специализированных приложений. Квантовый интернет будет выполнять задачи, которые можно выполнить на квантовом компьютере быстрее, чем на классических компьютерах, или которые слишком сложны для выполнения даже на лучших суперкомпьютерах, существующих сегодня.

ИТАК, ЧЕГО МЫ ЖДЕМ?

Ученые уже знают, как создать запутанность между кубитами, и они даже успешно используют запутанность в КРК.

Китай, давний инвестор в квантовые сети, побил рекорды по запутанности, вызванной спутниками. Китайские ученые недавно установили запутанность и достигли QKD на рекордных 745 милях.

Следующим этапом, однако, является расширение инфраструктуры. Все эксперименты до сих пор связывали только две конечные точки. Теперь, когда двухточечная связь достигнута, ученые работают над созданием сети, в которой несколько отправителей и несколько получателей могли бы обмениваться данными через квантовый интернет в глобальном масштабе.

Идея, по сути, состоит в том, чтобы найти лучшие способы производить множество запутанных кубитов по запросу, на больших расстояниях и между множеством разных точек одновременно. Это гораздо легче сказать, чем сделать: например, для поддержания запутанности между устройством в Китае и устройством в США, вероятно, потребуется промежуточный узел поверх новых протоколов маршрутизации.

И страны выбирают разные технологии, когда дело доходит до создания запутанности в первую очередь. В то время как Китай выбирает спутниковую технологию, оптическое волокно является методом, предпочитаемым Министерством энергетики США, которое сейчас пытается создать сеть квантовых повторителей, которые могут увеличить расстояние, разделяющее запутанные кубиты.

В США частицы остались запутанными через оптическое волокно в 52-мильной «квантовой петле» в пригороде Чикаго без необходимости в квантовых повторителях. Вскоре сеть будет подключена к одной из лабораторий Министерства энергетики США для создания квантового испытательного стенда протяженностью 80 миль.

В ЕС в 2018 году был создан Альянс квантового интернета для разработки стратегии квантового интернета, и в прошлом году он продемонстрировал запутанность более 31 мили.

Для квантовых исследователей цель состоит в том, чтобы масштабировать сети сначала до национального уровня, а однажды даже до международного.