Квантовый интернет уже не фантастика
Еще в феврале 2020 года ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета обнаружили, что они достигли квантового переплетения — в котором поведение пары двух крошечных частиц становится связанным, так что их состояния идентичны — на 52-мильной (83,7 километра) квантовой сети в пригороде Чикаго.
Вы можете задаться вопросом, из-за чего весь этот шум, если вы не являетесь ученым, знакомым с квантовой механикой - то есть с поведением материи и энергии в мельчайших масштабах реальности, которая особенно отличается от мира, который мы можем видеть вокруг себя.
Но достижение исследователей может стать важным шагом в развитии новой, гораздо более мощной версии интернета в ближайшие несколько десятилетий. Вместо битов, которые использует сегодняшняя сеть и которые могут выражать только значение 0 или 1, в будущем квантовом интернете будут использоваться кубиты квантовой информации, которые могут принимать бесконечное число значений.
Кубит - это единица информации для квантового компьютера; это как бит в обычном компьютере.
Это позволило бы увеличить пропускную способность квантового интернета, что дало бы возможность подключать супермощные квантовые компьютеры и другие устройства и запускать массивные приложения, которые просто невозможны с интернетом, который у нас сейчас есть.
"Квантовый Интернет станет платформой квантовой экосистемы, где компьютеры, сети и сенсоры будут обмениваться информацией принципиально новым способом, при котором зондирование, коммуникация и вычисления буквально работают вместе, как единое целое", - объясняет Дэвид Авшалом (David Awschalom), профессор спинтроники и квантовой информации в Притцкеровской школе молекулярной инженерии при Чикагском университете и старший научный сотрудник в Аргонне, который руководил проектом квантовой сети.
Объяснение Квантового Интернета
Так зачем нам это и что оно делает? Для начала, квантовый интернет не является заменой обычного интернета, который у нас сейчас есть. Скорее это было бы дополнением к нему или его ответвлением. Он мог бы справиться с некоторыми проблемами, от которых страдает современный интернет. Например, квантовый интернет обеспечил бы гораздо большую защиту от хакеров и киберпреступников.
Сейчас, если Элис в Нью-Йорке посылает сообщение Бобу в Калифорнии через интернет, то это сообщение проходит более или менее по прямой линии от одного побережья до другого. По пути сигналы, передающие сообщение, ухудшаются; ретрансляторы считывают сигналы, усиливают и исправляют ошибки. Но этот процесс позволяет хакерам "взламывать" и перехватывать сообщение.
Однако, квантовое сообщение не будет иметь такой проблемы. Квантовые сети используют частицы легких фотонов для передачи сообщений, которые не являются уязвимыми для кибератак. Вместо того, чтобы шифровать сообщение, используя математическую сложность, говорит Рэй Ньюэлл (Ray Newell), исследователь Национальной лаборатории Лос-Аламоса, мы будем полагаться на особые правила квантовой физики. С квантовой информацией, "вы не можете скопировать ее или разрезать пополам, и вы даже не можете посмотреть на нее, не изменив ее". На самом деле, просто попытка перехвата сообщения уничтожает сообщение, как отметил журнал Wired. Это позволило бы обеспечить шифрование, которое было бы гораздо более безопасным, чем все, что доступно сегодня.
Самый простой способ понять концепцию квантового интернета - это концепция квантовой телепортации.
Квантовая телепортация не похожа на то, что может придумать неученый, что мы можем увидеть в научно-фантастических фильмах. В квантовой телепортации два человека, которые хотят общаться, делят между собой пару запутанных квантовых частиц. Затем, через последовательность операций, отправитель может послать получателю любую квантовую информацию (хотя это не может быть сделано быстрее скорости света - распространенное заблуждение). Эта совокупность общих запутанных связей между парами людей во всем мире по существу и составляет квантовый интернет. Главный исследовательский вопрос заключается в том, как лучше всего распределить эти запутанные пары среди людей, распределенных по всему миру.
Как только это станет возможным в больших масштабах, квантовый интернет будет настолько поразительно быстрым, что дальние объекты могут быть синхронизированы примерно в тысячу раз точнее. Это сделало бы GPS-навигацию намного более точной, чем сегодня, и нанесло бы гравитационное поле Земли на карту с такой степенью детализации, что ученые смогли бы заметить пульсацию гравитационных волн. Это также позволило бы телепортировать фотоны из удаленных видимых световых телескопов по всей Земле и связать их в гигантскую виртуальную обсерваторию. И можно было бы видеть планеты вокруг других звезд.
Кроме того, сети супермощных квантовых компьютеров по всему миру смогут работать вместе и создавать невероятно сложные симуляции. Это могло бы позволить исследователям лучше понять поведение молекул и белков, например, а также разработать и протестировать новые лекарства.
Это также может помочь физикам разгадать некоторые давние тайны реальности.
"У нас нет полной картины того, как работает Вселенная", - говорит Ньюэлл. "У нас есть очень хорошее понимание того, как работает квантовая механика, но не очень ясная картина последствий". Картина размыта там, где квантовая механика пересекается с нашим жизненным опытом".
Проблемы построения квантового интернета
Но прежде чем все это произойдет, исследователи должны выяснить, как построить квантовый интернет, и, учитывая странности квантовой механики, это будет нелегко.
В классическом мире можно кодировать информацию и сохранять её. В квантовом мире вы кодируете информацию, и она начинает распадаться почти мгновенно.
Другая проблема заключается в том, что из-за того, что количество энергии, которое соответствует квантовой информации, действительно низкое, трудно удержать ее от взаимодействия с внешним миром. Сегодня во многих случаях квантовые системы работают только при очень низких температурах. Другой альтернативой является работа в вакууме и выкачивание всего воздуха.
Чтобы сделать квантовую функцию интернета, говорит Ньюэлл, нам понадобится всевозможное аппаратное обеспечение, которое еще не было разработано. Так что на данный момент трудно сказать, когда именно будет работать квантовый интернет, хотя один китайский ученый предположил, что это может произойти уже в 2030 году.
