Исследователи по всему миру работают над сетью, которая могла бы соединять квантовые компьютеры друг с другом на больших расстояниях. Андреас Райзерер, профессор квантовых сетей Мюнхенского технического университета (TUM), объясняет проблемы, которые необходимо решить, и то, как атомы, захваченные в кристаллах, могут помочь.

Профессор Райзерер, что такое квантовый Интернет и чем он отличается от известного нам классического Интернета?

Идея та же: мы используем сегодняшний Интернет для соединения компьютеров друг с другом, а квантовый Интернет позволяет квантовым компьютерам взаимодействовать друг с другом. Но с технической точки зрения квантовый Интернет гораздо сложнее. Вот почему пока реализованы только сети меньшего размера.

Зачем нам нужна квантовая сеть?

Есть два основных применения: во-первых, объединение квантовых компьютеров в сеть позволяет увеличить их вычислительную мощность; во-вторых, квантовая сеть сделает возможным абсолютно защищенное от перехвата шифрование связи. Но есть и другие приложения, например, сетевые телескопы для достижения ранее невозможного разрешения, чтобы заглянуть в глубины Вселенной, или возможность чрезвычайно точной синхронизации атомных часов по всему миру, что позволит исследовать совершенно новые физические процессы. вопросы.

Как квантовые компьютеры обмениваются информацией?

По большей части точно так же, как и в классическом интернете: с использованием фотонов. Эти фотоны передаются по оптическим кабелям. В классическом Интернете используются очень сильные сигналы — световые импульсы , состоящие из миллиардов фотонов. Здесь информация передается с помощью двоичного кода: свет горит или свет гаснет, аналогично коду Морзе.

Однако квантовый Интернет отличается: он по-прежнему использует двоичный код , но информация переносится не световыми импульсами с множеством фотонов, а отдельными фотонами. Это позволяет передавать квантовомеханические состояния, несущие чрезвычайно большие объемы информации.

Почему построить квантовый интернет намного сложнее?

Фотоны теряются на пути через оптический кабель. В обычной сети сигналы можно легко усилить с помощью повторителей, которые добавляют к световым импульсам больше фотонов. Но в квантовом Интернете, если теряется хотя бы один фотон , вся передаваемая информация безвозвратно уничтожается. Потери такого рода являются самой большой проблемой при построении функциональной сети. Эту проблему можно решить с помощью квантовых повторителей, над которыми сейчас работает моя группа.

С какими проблемами вы сталкиваетесь?

Передача на короткие расстояния уже работает очень хорошо. Однако потери растут экспоненциально по мере увеличения расстояний. Чтобы построить квантовые повторители, мы разделили общее расстояние на множество небольших подсегментов. Буферы, на самом деле небольшие квантовые компьютеры, сохраняют квантовое состояние после каждого подсегмента до тех пор, пока фотон не будет передан в следующий подсегмент.

Затем можно использовать так называемую квантовую телепортацию для последующей «пересылки» информации переданному фотону . Для этого потребуются эффективные небольшие квантовые компьютеры, над разработкой которых мы находимся.

Как выглядят эти маленькие квантовые компьютеры?

В лучших исследованных системах используются отдельные атомы, которые захватываются в вакууме лазерным светом и охлаждаются до очень низких температур. Однако этот подход требует целой лаборатории, полной оптических компонентов, что затрудняет реализацию этого подхода в небольших масштабах.

Вместо этого мы используем кристаллы кремния, в которые встроены отдельные атомы и, можно сказать, заперты в кристалле. Используемые нами атомы эрбия сохраняют в этих условиях свои квантово-механические свойства. Эта структура также требует низких температур, но технически она намного проще.

Нам удалось показать, что эта система в принципе работает и что атомы эрбия, когда они возбуждаются, генерируют фотоны, пригодные для транспортировки квантовой информации. Главным преимуществом здесь является то, что мы можем построить тысячи или даже миллионы таких структур на одном кремниевом чипе.

Почему это важно?

Необходимость буферизации в ретрансляторах будет означать, что передача информации из одного места в другое займет очень много времени. Чтобы добиться более высокой скорости, мы используем так называемое мультиплексирование. Это означает, что процесс выполняется максимально возможное количество раз параллельно. Наша технология делает это возможным, и мы уже работаем над реализацией.

Будем ли мы все использовать квантовый Интернет в будущем?

Ситуация может оказаться похожей на классический Интернет: поначалу вряд ли кто-то мог себе представить, что сегодня каждый будет ходить с доступом в Интернет в карманах, использовать спутники для определения нашего местоположения и навигации с помощью Интернета. Мы все еще находимся на очень ранней стадии создания квантового Интернета.

Наши текущие исследования по-прежнему касаются фундаментальных вопросов, таких как: можем ли мы соединить эти системы? Сможем ли мы добиться успеха в распространении квантовых состояний по всему миру? Потенциал такой системы, о которой мы знаем сегодня, уже был бы революционным для некоторых областей, и я уверен, что будет очень много применений, о которых сегодня никто даже не думает.