Новая стратегия
поддержки связи
в квантовых сетях.
Как известно, квантовые сети работают за счёт использования квантовой запутанности — явления, при котором две частицы связаны между собой независимо от расстояния между ними. Запутанные фотоны при этом, будучи самыми быстрыми во вселенной, открывают просто невероятные перспективы для вычислений и коммуникаций, однако у них есть серьёзный недостаток: однажды использованная, их запутанность исчезает без следа. Так происходит потому, что сам процесс обмена изменяет квантовое состояние канала, делая его непригодным для дальнейшей передачи.
Эта проблема давно тормозит развитие оптических вычислений, но физики из Северо-Западного университета предложили обойти это ограничение путём стратегического поддержания связи в условиях непредсказуемости постоянных изменений квантовой сети.
«Многие исследователи прилагают значительные усилия для создания более крупных и совершенных сетей квантовой связи по всему миру, — говорит Иштван Ковач, старший автор исследования. — Но как только квантовая сеть открывается для пользователей, она сгорает. Это всё равно что перейти мост, а потом сжечь его за собой. Без вмешательства сеть быстро разрушается. Чтобы решить эту проблему, мы разработали простую модель пользователей. После каждого события, связанного с коммуникацией, мы добавляли фиксированное количество мостов, или связей, между разъединёнными узлами. Добавляя достаточно большое количество связей после каждого события, связанного с коммуникацией, мы поддерживали сетевую связь».
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, говорится, что в процессе попыток найти способ восстанавливая этих исчезающих соединений, было обнаружено странное, но весьма занятное явление: в конце концов сеть приходит в стабильное состояние. Это новое состояние не соответствует первоначальному, но, тем не менее, сеть стремится к подобию равновесия. Научившись управлять этой ситуацией, мы сможем вплотную приблизиться к созданию оптимально спроектированных квантовых сетей для молниеносных вычислений и сверхзащищённых коммуникаций.
Оказалось, продолжение функционирования сети обусловлено добавлением достаточного числа соединений в ней. Ключом к решению, как всегда, стал баланс: если соединений слишком много — это дорого и перегружает ресурсы; а если слишком мало — происходит фрагментация сети, влекущая снижение производительности. Кстати о балансе: необходимое количество добавляемых связей находится на критической границе между сохранением сети и её разрушением.
Изучение проблемы и сама её суть натолкнули исследователей на попытку найти решение посредством регулирования числа связей. С помощью моделирования было определено точное их количество, необходимое для поддержания работоспособности сети путём добавления этих связей после каждого события коммуникации. Команда обнаружила, что критическое число равно квадратному корню из количества пользователей. Например, если в сети 1 миллион пользователей, то для передачи каждого кубита информации через сеть необходимо добавлять 1000 связей.
«В классической связи инфраструктура обладает достаточной пропускной способностью, чтобы обрабатывать множество сообщений. В квантовой же сети каждый канал может передавать только один фрагмент информации. Затем он выходит из строя», — поясняет Ковач, эксперт в области сложных систем, доцент кафедры физики и астрономии Колледжа искусств и наук имени Вайнберга в Северо-Западном университете.
Авторы работы считают, что полученные ими данные раскрывают потенциал создания оптимизированной и надёжной квантовой сети, устойчивой к сбоям. Разработчики теперь могут реализовать стабильную сеть, автоматизировав добавление новых соединений при исчезновении старых.
«Классический интернет не был создан для того, чтобы быть полностью надёжным, — говорит Ковач. — Он естественным образом возник из-за технологических ограничений и поведения пользователей. Он не был спроектирован, он просто появился. Но теперь мы можем сделать квантовый интернет лучше. Мы можем спроектировать его так, чтобы он полностью раскрыл свой потенциал».
По материалам АРМК.