Физики из Университетов Торонто, Осаки и Тоямы представили концепцию квантового повторителя, который не использует ячейки квантовой памяти и способен работать при комнатной температуре. В перспективе он позволит реализовать масштабные квантовые сети.

В чем отличие нового квантового повторителя

Информация в квантовых сетях кодируется в фотонах. Однако переслать их на большие расстояния по оптоволокну довольно сложно. Более 90% частиц теряется в кабеле, длина которого превышает 50 км. Чтобы увеличить расстояние эффективной передачи, ученые и инженеры работают над созданием квантовых повторителей. Они помогают предотвратить потери при передаче фотонов по оптоволоконному кабелю. Однако существующие устройства используют ячейки квантовой памяти, например ионные ловушки, которые стабильны только при сильном охлаждении.

Такие решения сперва декодируют передаваемую информацию, а затем кодируют её снова для передачи дальше по цепочке. Такой подход создает потенциальную уязвимость для злоумышленников, которые могут перехватывать информацию на скомпрометированном узле.

Команде физиков и инженеров под руководством профессора Хой-Квонга Ло (Hoi-Kwong Lo) удалось решить эту проблему. Они продемонстрировали возможность реализации фотонного повторителя, который не требует «промежуточных» преобразований. Отметим, что концепцию устройства исследователи предложили еще в 2015 году, а в начале 2019 им удалось доказать её экспериментально.

В этом случае квантовая память заменяется граф-состоянием (photonic graph state). Два компьютера, расположенные на разных концах оптоволоконного соединения, генерируют квантовую запутанность между своими фотонами. После они отправляют сразу множество фотонов повторителю. В повторителе эти частицы представляются в виде графа, в котором каждый кубит — это вершина. Затем над фотонами выполняется измерение состояния Белла (Bell state measurement). Результатом измерения становится проектирование частиц в перепутанное состояние.

Преимущества и сложности

Оптические повторители способны обеспечить передачу фотонов на значительно большие расстояния — отправитель и получатель смогут находиться в 800 километрах друг от друга. При этом повторители сохраняют работоспособность при комнатной температуре.

Для достижения таких результатов в сети требуется использовать высокочувствительные оптические детекторы, квантовая эффективность которых будет превышать 60%. Из существующих устройств немногие способны выдавать такие показатели, а те, что способны, дорого стоят.

Несмотря на недостаток разработчики ожидают, что новые оптические повторители станут тем звеном, которое, наконец, позволит объединить индивидуальные квантовые компьютеры и создать защищенный квантовый интернет. Согласно принципам квантовой механики, при измерении характеристик фотона он меняет своё состояние. Если кто-то попытается подслушать квантовую сеть, то эта попытка будет сразу замечена и фотон «разрушится».

Отметим, что с появлением квантового интернета ученым мира придется решить ряд других проблем. Согласно недавнему исследованию сотрудников университета Джорджа Вашингтона, хакеры могут нарушить передачу информации в квантовых сетях, «подмешав» в систему запутанных фотонов сторонний трафик. Защиты от подобного типа атак пока нет, но инженеры планируют работать в этом направлении.

/ Flickr / Nick Harris / CC BY-ND

Что ещё делают для реализации квантового интернета

Ряд исследователей ведет работу над повторителями с ионными ловушками. Для них разрабатываются новые материалы, например, искусственные алмазы, которые используют для хранения и передачи кубитов. Синтетический алмаз может служить квантовым хранилищем благодаря дефекту в углеродной решетке. В ней два атома углерода заменяются произвольным атомом и «пустым местом».

Также ведется работа над алгоритмами коррекции ошибок. Они кодируют квантовые состояния фотонов таким образом, чтобы при потере одной или нескольких частиц при передаче сигнала, информацию из них можно было восстановить. Для коррекции ошибок предлагают использовать несколько методов, например алгоритм Шора, кодирование Стейна, принцип квантовой чётности и другие.

Все из представленных технологий пока находятся на ранних этапах разработки. Поэтому говорить о том, что какие-то из них определенно станут использоваться в квантовом интернете пока рано. Однако тестовые сети уже начинают появляться: в ближайшие пять лет станции с квантовыми повторителями планируют построить в Великобритании. Вероятно, инициативу подхватят и другие страны.