Учёные из Северо-Западного университета США (Northwestern University) первыми в мире, как они утверждают, осуществили квантовую телепортацию по интернет-кабелю, загруженному посторонним трафиком. Им удалось передать запутанные состояния двух фотонов на расстояние 30,2 км по тому же оптоволокну, по которому шёл обмен обычными данными, а затем зафиксировать факт коллапса волновой функции и мгновенной телепортации квантового состояния.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Пока остаются серьёзные сомнения в том, можно ли использовать обычные коммуникации для передачи квантовых состояний — иначе говоря, для создания глобального квантового интернета без развёртывания новой отдельной инфраструктуры. Работа исследователей из США, опубликованная сегодня в журнале Optica, даёт основания полагать, что квантовые данные можно будет передавать по существующим линиям оптической связи.

Эксперимент проводился в лаборатории на катушке оптического кабеля длиной 30,2 км. Забегая вперёд, отметим, что на следующем этапе учёные попытаются телепортировать квантовые состояния через реальную интернет-сеть. В лабораторных условиях исследователи, насколько это было возможно, воспроизвели работу сети интернет в обычных условиях. По кабелю передавался интернет-трафик с полосой пропускания 400 Гбит/с в диапазоне C. Основной задачей было подобрать для двух запутанных фотонов такой частотный диапазон, чтобы их состояния не разрушились до измерения (до завершения передачи на другой конец линии). Также учёные разработали систему фильтров, чтобы минимизировать помехи от обычного трафика.

«Это невероятно захватывающе, потому что никто не думал, что это возможно, — заявил Прем Кумар (Prem Kumar) из Northwestern, руководитель исследования. — Наша работа показывает путь к квантовым и классическим сетям следующего поколения, разделяющим единую волоконно-оптическую инфраструктуру. По сути, это открывает дверь для вывода квантовых коммуникаций на новый уровень».

Следует уточнить, что квантовая телепортация не переносит информацию в традиционном понимании. Квантовое состояние фотона заранее неизвестно. Попытка его определить до передачи, например измерить направление спина, приведёт к коллапсу волновой функции, и тогда просто нечего будет отправлять. А раз мы не знаем, что передаём, смысла в телепортируемой информации нет. Однако можно телепортировать квантовые состояния, что лежит в основе квантовой криптографии. Если такое сообщение перехватят, об этом мгновенно станет известно, независимо от расстояния между запутанными фотонами.

Схема эксперимента. Источник изображения: Optica 2024

Учёные из Северо-Западного университета продемонстрировали, что на примере загруженной трафиком обычной волоконно-оптической линии запутанные фотоны можно передавать одновременно с обычными данными. Квантовое состояние сохраняется до конца передачи и при измерении телепортируется. Это открывает возможность для сосуществования квантовой криптографии и традиционного интернет-трафика. Но исследователи намерены идти дальше. Их интересует передача запутанных состояний другим парам фотонов, чтобы они участвовали в распределённых квантовых вычислениях. Только так можно будет наложить квантовый интернет на существующую инфраструктуру интернета.

Учёные Гарвардского университета и Центра квантовых сетей AWS в Amazon разместили в одном из районов Бостона несколько технологических узлов для организации сети, посредством которой была произведена передача запутанного фотона от одного квантового компьютера на другой на расстояние 35 км.

Источник изображения: Pete Linforth / pixabay.com

Построенная учёными сеть обеспечила возможность «эффективно получать, записывать, и передавать информацию, изначально хранящуюся в свете» — в данном случае фотонами в состоянии квантовой запутанности. Свету свойственно рассеиваться, и чтобы предотвратить рассеяние этих фотонов при передаче на большие расстояния необходимы ретрансляторы, которые не разрушают их запутанность и не изменяют сохранённую информацию. Захват света и его взаимодействие с элементами памяти осуществляется при помощи полостей в алмазах — выполняющие эти функции узлы могут выпускаться серийно с использованием современных технологий нанопроизводства.

В рамках проведённого эксперимента находящийся в состоянии квантовой запутанности фотон пролетел более 35 км и хранился более одной секунды, чего хватило бы для преодоления расстояния более чем 300 тыс. км, то есть он смог бы обогнуть Землю 7,5 раз. В квантовых сетях применяются те же принципы, что и в квантовых компьютерах — передача информации осуществляется с использованием квантового состояния фотонов. Эксперименты с квантовыми сетями проводятся уже давно, но коммерческих версий пока не создавал никто. Потребуется ещё множество улучшений, прежде чем сеть станет масштабируемой и коммерчески жизнеспособной, отметили в AWS. Пока она работает медленно и отправляет только один элемент данных за раз.

В свежем номере престижного журнала Optics Express вышла статья за авторством российских учёных, в которой рассказано о создании спутникового квантово защищённого канала связи длиной 3800 км. После передачи квантового ключа между станциями в Звенигороде и Наньшане в каждую из сторон было передано абсолютно защищённое от перехвата изображение.

Схема установки в Звенигороде. Источник изображения: Optics Express

В основе эксперимента использовался старый китайский спутник «Мо-цзы». Он был запущен Китаем в космос ещё в 2016 году для постановки экспериментов с передачей через космос распределённых квантовых ключей. Традиционно для этого использовались оптические линии передач, что обусловлено используемыми носителями квантовых состояний — фотонами. При перехвате подобных носителей квантовые состояния разрушались, и это сигнализировало о компрометации передачи.

В России первую линию квантовой связи (между банками) запустили ещё в 2017 году. В Китае учёные активнее работают в этом направлении. Например, с помощью защищённой наземной квантовой линии связи была организована диспетчеризация энергогенерирующих мощностей на побережье по командам из Пекина. Для организации глобальной квантовой сети удобно использовать спутники с лазерными каналами, что было реализовано в недавнем российско-китайском эксперименте. Добавим, плюс спутниковых систем в том, что сигнал можно передать на большее расстояние с меньшим затуханием, а это бич оптоволоконных квантовых сетей.

В ходе эксперимента на специально созданной установке из двух телескопов — один для работы с данными, а другой для наведения на спутник — учёными из Университета МИСиС, Российского квантового центра и компании «КуСпэйс Технологии» удалось передать информацию по защищенному квантовому каналу между Россией и Китаем на расстояние 3,8 тыс. км. Сначала станции обменялись квантовым ключом длиною 310 Кбит, а затем, используя шифрование, изображениями размерами 256 × 64 пикселя.

Собранные в процессе организации канала данные будут использованы для дальнейшего развития квантовой связи и, прежде всего, спутниковой, которая пока не используется в коммерческих целях. Китай также опережает другие страны на этом пути. Летом 2022 года на орбиту был выведен спутник квантовой связи нового поколения — Jinan 1 («Цзинань-1»), который обещает передавать квантово защищённые ключи на два–три порядка быстрее платформы «Мо-цзы».

Компания Amazon совместно с одним из подразделений компании De Beers Group наладит выращивание алмазов с заданными характеристиками — их планируется использовать для революционного изменения компьютерных сетей. Группа Element Six, входящая в De Beers, будет работать с Центром квантовых сетей Amazon Web Services (AWS), создавая решения нового поколения для безопасной передачи данных на длинные дистанции.

Источник изображения: ColiN00B/pixabay.com

Квантовые сети используют субатомную материю для доставки данных способом, принципиально отличающимся от того, что применяется в современных оптоволоконных системах. Считается, что алмазы станут частью этой системы — они позволят отправлять данные на более протяжённые расстояния без сбоев.

Если обычные ретрансляторы не могут передавать информацию в виде кубитов, то новое оборудование может обеспечить революционными возможностями сети AWS, которая является поставщиком облачных вычислительных сервисов — на них приходится немалая часть прибыли Amazon. По оценкам экспертов компании, технологию начнут использовать «через годы, а не десятилетия», как предполагалось ранее.

Поскольку Amazon владеет значительной долей на рынке облачных вычислений и хранилищ информации, компания намерена с помощью защищённой квантовой связи сохранять лидерство в критически важных для себя сферах, что обеспечит ей преимущество перед конкурентами вроде Microsoft и Google. В Element Six надеются найти новое применение промышленным алмазам, которые ценятся за твёрдость и возможность работать в качестве линз. Их использование в квантовых решениях может открыть большие возможности для De Beers.

Широкое распространение квантовых сетей потребует большого числа специальных компонентов, включая специализированные алмазы. Сообщается, что Element Six недавно открыла завод в США, позволяющий создавать до 2 млн подобных элементов ежегодно с помощью технологии химического осаждения из паровой фазы.

Алмаз представляет собой одну из разновидностей углерода, благодаря своей кристаллической структуре это один из самых твёрдых и теплопроводных материалов, встречающихся в природе. В натуральных алмазах встречаются вкрапления других химических элементов вроде атомов азота, влияющих на цвет камней, а учёные считают, что подобные, но только искусственно упорядоченные вкрапления могут способствовать их использованию в качестве ретрансляторов в квантовых сетях.

Кроме того, их массовое производство может помочь распространению квантовых вычислений — сети должны подключаться к квантовым компьютерам, работающим на родственных технологиях, что и позволит создавать целые вычислительные сети невообразимой сегодня производительности.

Классическая квантовая телепортация — это условность, которая требует параллельной передачи данных по обычным каналам связи. Телепортацией она называется потому, что квантовая информация разрушается в одном месте и как бы мгновенно возникает в другом: одна из двух спутанных частиц исчезает, а её квантовое состояние с помощью обычной связи воспроизводится в другой далеко отнесённой частице. Оказалось, телепортация допускается без всяких условностей: раз — и там!

Источник изображения: Andrew Mueller/INQNET

Теорией прямой телепортации квантовой информации без переноса частиц или энергии занимается физик Хатим Салих (Hatim Salih) из Бристольского университета в Великобритании. У этого учёного был ряд публикаций в мировых научных журналах и новая работа также отмечена публикацией в журнале Quantum Science and Technology. Ранее он предложил несколько протоколов и экспериментов для доказательства существования «контрфактической коммуникации» — связи, которая не может быть объяснена существующими практикой и теориями обычной и квантовой физики.

В своей новой работе физик доказывает, что пара спутанных частиц способна мгновенно передавать квантовую информацию без «костылей» в виде обычных каналов связи — это явление он предлагает называть контрпортацией (counterportation). По крайней мере, в теории всё обещает работать, но учёный рассчитывает дойти до постановки эксперимента (и подобного рода эксперименты уже ставятся, о чём мы также рассказывали).

«Хотя контрпортация достигает конечной цели телепортации, а именно развоплощённой транспортировки [информации], она удивительным образом делает это без каких-либо обнаруживаемых носителей информации, путешествующих через границу, — говорит физик. — Если контрпортация будет реализована, необходимо будет построить совершенно новый тип квантового компьютера: безобменный, в котором общающиеся стороны не обмениваются частицами».

Согласно выкладкам Салиха, пара связанных частиц взаимодействует посредством частного случая моста Эйнштейна–Розена. Это вариант червоточины или прокола в пространстве-времени. Система взаимодействия описывается известными уравнениями и имеет право на существование. Традиционно червоточины описывали с позиций чёрных дыр, поскольку это явления одного порядка. Но кто говорит, что это исключительно астрофизические объекты? Червоточина в пределах одного квантового компьютера может обеспечить безэнергетическую связь для передачи данных между кубитами, квантовыми процессорами и кластерами, а в масштабах страны — и квантового интернета.

«Цель ближайшего будущего — физически построить такую червоточину в лаборатории, которая затем может быть использована в качестве испытательного стенда для конкурирующих физических теорий, даже теорий квантовой гравитации», — уверен учёный, и подробно доказывает подобную возможность в своей статье, полностью доступной по ссылке.

Скорость квантовой связи или распределения квантовых ключей зависит от многих факторов, и одним из них является скорость детектирования одиночных фотонов. Современные детекторы способны регистрировать до 800 млн фотонов в секунду, что хорошо, но мало. Специалисты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) смогли установить новый рекорд, разработав однофотонный детектор с производительностью 1,5 млрд фотонов в секунду и это не предел.

Датчик подсчёта фотонов Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ). Источник изображения: JPL-Caltech/NASA

Ряд схем квантовой связи опираются на способность обнаружить и обработать оптический сигнал на уровне одного фотона. В процессе детектирования с высочайшей точностью регистрируется время прихода каждого фотона (кванта электромагнитной энергии). По мере роста скорости передачи квантовой информации детекторы также должны увеличивать свою производительность, не теряя в эффективности и чувствительности.

Наиболее перспективной платформой для достижения сверхвысоких скоростей подсчёта фотонов считаются детекторы на основе сверхпроводящих нанопроволок. Детектор охлаждается до температуры близкой к абсолютному нулю. Нанопроволока поглощает фотон и нагревается на величину поглощённой энергии. Тем самым электрическое сопротивление нанопроволоки изменяется и это отражается на величине текущего через неё тока. Регистрация времени этого изменения обеспечивает точную привязку к времени прихода фотона.

Эффективность обнаружения фотонов таким способом одна из самых высоких среди всех известных методов и достигает 98 %. Также нанопроволоки интересны тем, что способны обнаруживать фотоны на длинах волн от среднего инфракрасного до ультрафиолетового. Но у всего этого есть один недостаток, который не позволяет увеличить скорость подсчёта, скажем, выше 800 млн фотонов в секунду. Мешает этому процессы отвода тепла от нанопроволок после поглощения фотонов — на это банально требуется время, в течение которого детекторы остаются слепы.

Именно это ограничение пытались преодолеть физики из JPL, когда предложили свою конструкцию детектора в виде хвоста павлина. Да, они его так и назвали — PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta). Детектор PEACOQ достиг максимальной скорости счёта около 1,5 млрд фотонов в секунду, сохраняя при этом высокую эффективность и низкий уровень шума.

Секрет кроется в 32 прямых сверхпроводящих нанопроводах, веером расходящихся из центра детектора, как павлиний хвост. Регистрация фотонов происходит параллельно (независимо) каждой нанопроволокой с временным разрешением менее 100 пс. В ходе экспериментов с новым датчиком максимальная скорость регистрации фотонов достигала 1,5 млрд в секунду, что почти в два раза превышает возможности современных счётчиков фотонов.

Усложнение датчика незначительно снизило эффективность детектирования, но не ниже 78 % в режиме максимальной нагрузки. Дальнейшие исследования будут направлены на увеличение этого параметра. Но даже в таком виде квантовая связь может получить толчок в развитии, если датчики PEACOQ найдут путь к разработчикам устройств квантовой связи.