Квантовые сигналы, передаваемые по IP, смогли преодолеть помехи в работающем коммерческом оптоволокне за пределами лаборатории.

Оригинал статьи

Инженеры из Университета Пенсильвании успешно передали квантовые сигналы через стандартное интернет-соединение с использованием оптоволоконных кабелей в реальных условиях. Их работа опубликована в журнале Science и представляет собой шаг от теории к практике — переход квантового интернета из концепции в реальность с применением уже существующей интернет-инфраструктуры.

Квантовые сигналы известны своей крайней хрупкостью — их невозможно измерить, не потеряв квантовую запутанность, а при воздействии помех они быстро становятся нечитаемыми. Тем не менее инженерам удалось передать такие сигналы по той же загруженной интернет-инфраструктуре, по которой проходят обычные IP-пакеты.

Эта передача стала возможна благодаря разработке под названием «Q-Chip» — силиконовому чипу Университета Пенсильвании, который координирует взаимодействие классических и квантовых сигналов в интернете.

Название Q-Chip расшифровывается как Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics — «гибридный квантово-классический интернет на основе фотоники».
Этот чип способен объединять стандартные и квантовые сигналы в единый пакет, который можно успешно передавать по городским оптоволоконным линиям.
Кроме того, Q-Chip может и отправлять, и принимать связанные квантовые сигналы, автоматически корректируя помехи, при этом не разрушая их квантовую связь.

Квантовые вычисления — это совершенно иной мир по сравнению с традиционными вычислениями.
Если обычные компьютеры используют транзисторы, биты и электроны, которые представляют данные как 0 и 1 (включено/выключено), то квантовые компьютеры работают на совершенно другом принципе.
Используя кубиты, они применяют явление квантовой запутанности, что позволяет каждому кубиту одновременно находиться в состоянии 0, 1 или любой из бесконечного множества промежуточных комбинаций этих двух состояний.

Однако работать с квантовой запутанностью чрезвычайно сложно, поскольку при любом измерении квантовые сигналы теряют свои свойства.
Это напоминает мысленный эксперимент Шрёдингера: кот, помещённый в закрытую коробку с радиоактивным изотопом, считается и живым, и мёртвым одновременно, пока коробку не откроют и не произведут наблюдение.
Точно так же квантовые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции (не 0 и не 1), но как только их измеряют, они теряют квантовую связь и «схлопываются» в одно из классических состояний — 0 или 1.
Из-за этого передача квантовых сигналов через интернет представляет собой крайне сложную задачу.

«Обычные сети измеряют данные, чтобы направлять их к конечному пункту назначения, — объяснил Роберт Броберг, аспирант, участвующий в проекте, в интервью изданию Phys.org. —
В полностью квантовых сетях это невозможно, потому что любое измерение частиц разрушает их квантовое состояние».

Чтобы решить эту проблему, инженеры разработали Q-Chip, который сопрягает квантовый сигнал со стандартным интернет-сигналом на основе света, создавая своего рода «поезд» из двух компонентов.
Обычный интернет-сигнал играет роль локомотива, обеспечивая маршрутизацию, а квантовый сигнал движется рядом — как грузовой вагон, не измеряемый ни при отправке, ни при приёме.

Эта пара также помогает устранять шумы и искажения: поскольку и отправляющий, и принимающий Q-Chip знают, каким должен быть стандартный световой сигнал, они могут скорректировать ошибки в нём и по аналогии восстановить квантовый сигнал, не разрушая его квантовую природу.

«Демонстрируя, что интегрированный чип может управлять квантовыми сигналами в действующей коммерческой сети, такой как сеть Verizon, и делать это, используя те же протоколы, на которых работает классический интернет, мы сделали **ключевой шаг к крупномасштабным экспериментам и практическому квантовому интернету», — поделился старший автор исследования Лян Фэн.

Система Q-Chip теоретически может работать в любой точке оптоволоконной сети Verizon в Филадельфии, где расположен университет, а также в любой другой городской интернет-инфраструктуре.
Тем не менее, чтобы обеспечить передачу квантовых сигналов на большие расстояния, потребуется дополнительные исследования — это критически важно для создания междугородних и международных квантовых интернет-соединений.

По мере того как квантовые вычисления всё ближе приближаются к реальному применению, это исследование, показывающее возможность передачи квантовых сигналов через существующую интернет-инфраструктуру, имеет огромную ценность.
Что будет дальше с квантовыми технологиями — по-прежнему неопределённо, но и правительства, и корпорации во всём мире активно стремятся первыми внедрить их в практические приложения.