Новый метод может дать быструю, транснациональную квантовую сеть

Новости сегодня - Новый метод может дать быструю, транснациональную квантовую сеть

Квантовые компьютеры предлагают мощные способы улучшения кибербезопасности, коммуникаций и обработки данных, среди прочих областей. Однако для полной реализации этих преимуществ необходимо соединить несколько квантовых компьютеров для построения квантовых сетей или квантового интернета. Ученые изо всех сил пытались придумать практические методы построения таких сетей, которые должны передавать квантовую информацию на большие расстояния.

Теперь исследователи из Школы молекулярной инженерии имени Притцкера Чикагского университета (PME) предложили новый подход — создание длинных квантовых каналов с использованием вакуумных герметичных трубок с массивом разнесенных линз. Эти вакуумные лучепроводы диаметром около 20 сантиметров будут иметь радиус действия в тысячи километров и пропускную способность более 1013 кубитов в секунду, что лучше, чем любой существующий подход к квантовой коммуникации. Фотоны света, кодирующие квантовые данные, будут перемещаться по вакуумным трубкам и оставаться сфокусированными благодаря линзам.

«Мы считаем, что такой тип сети осуществим и имеет большой потенциал», — сказал Лян Цзян, профессор молекулярной инженерии и старший автор новой работы. «Его можно использовать не только для безопасной связи, но и для построения распределенных квантовых вычислительных сетей, распределенных квантовых сенсорных технологий, новых видов телескопов и синхронизированных часов».

Над новой работой, опубликованной в Physical Review Letters , Цзян сотрудничал с учеными Стэнфордского университета и Калифорнийского технологического института .

Отправка кубитов

В то время как классические компьютеры кодируют данные в обычных битах, представленных как 0 или 1, квантовые компьютеры полагаются на кубиты, которые могут демонстрировать квантовые явления . К этим явлениям относятся суперпозиция — своего рода неоднозначная комбинация состояний, а также запутанность, которая позволяет двум квантовым частицам коррелировать друг с другом даже на огромных расстояниях.

Эти свойства дают квантовым компьютерам возможность анализировать новые типы данных, а также хранить и передавать информацию новыми, безопасными способами. Соединение нескольких квантовых компьютеров может сделать их еще более мощными, поскольку их возможности обработки данных могут быть объединены. Однако сети, обычно используемые для соединения компьютеров, не идеальны, поскольку они не могут поддерживать квантовые свойства кубитов.

«Вы не можете отправить квантовое состояние по классической сети», — объяснил Цзян. «Вы можете отправить фрагмент данных классическим способом, квантовый компьютер может его обработать, но затем результат снова отправляется обратно классическим способом».

Некоторые исследователи тестировали способы использования оптоволоконных кабелей и спутников для передачи оптических фотонов, которые могут действовать как кубиты. Фотоны могут перемещаться на короткие расстояния по существующим оптоволоконным кабелям, но обычно быстро теряют свою информацию, поскольку фотоны поглощаются. Фотоны, отскочившие от спутников и вернувшиеся на землю в новом месте, поглощаются меньше из-за вакуума космоса, но их передача ограничена поглощением атмосферы и доступностью спутников.

«Мы хотели объединить преимущества каждого из этих предыдущих подходов», — сказал аспирант PME Юэсюнь Хуан, первый автор новой работы. «В вакууме можно отправлять много информации без затухания. Но иметь возможность сделать это на земле было бы идеально».

Учимся у LIGO

Ученые, работающие в Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) Калифорнийского технологического института, построили огромные наземные вакуумные трубки, содержащие движущиеся фотоны света, которые могут обнаруживать гравитационные волны. Эксперименты в LIGO показали, что внутри почти безмолекулярных вакуумов фотоны могут перемещаться на тысячи километров.

Вдохновленные этой технологией, Цзян, Хуан и их коллеги начали набрасывать эскизы того, как можно использовать меньшие вакуумные трубки для транспортировки фотонов между квантовыми компьютерами. В своей новой теоретической работе они показали, что эти трубки, если их правильно спроектировать и расположить, могут переносить фотоны через всю страну. Более того, им понадобится только средний вакуум (давление 10 ^-4 атмосфер), который гораздо легче поддерживать, чем сверхвысокий вакуум (давление 10 ^-11 атмосфер), необходимый для LIGO.

«Главная проблема в том, что при движении фотона через вакуум он немного рассеивается», — пояснил Цзян. «Чтобы преодолеть это, мы предлагаем размещать линзы каждые несколько километров, которые могут фокусировать луч на больших расстояниях без дифракционных потерь».

В сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского технологического института группа планирует провести настольные эксперименты для проверки практичности идеи, а затем планирует использовать более крупные вакуумные трубки, такие как в LIGO, для работы над тем, как выровнять линзы и стабилизировать пучки фотонов на больших расстояниях.

«Внедрение этой технологии в более крупных масштабах, безусловно, ставит некоторые инженерные задачи, которые нам также необходимо решить», — сказал Цзян. «Но конечным преимуществом является то, что у нас есть большие квантовые сети , которые могут передавать десятки терабайт данных в секунду».

Новости партнеров: