Хотя квантовые компьютеры представляют собой революцию в области вычислений, они не могут общаться друг с другом так, как это могут делать обычные компьютеры — через Интернет. Если бы квантовые компьютеры можно было соединить через квантовую сеть, они могли бы обеспечить абсолютно безопасную связь между более чем двумя сторонами или объединить вычислительные мощности для решения гораздо более сложных задач, чем один квантовый компьютер мог бы решить в одиночку.

На приглашенной сессии на мартовском собрании Американского физического общества два физика Чикагской квантовой биржи использовали разные подходы к устранению препятствия, являющегося центральным для реализации крупномасштабных наземных квантовых сетей: расстояние между узлами ограничено тем, насколько далеко квантовый сигнал может путешествовать по оптическому волокну .

Решение для усиления и предотвращения потери данных

Лян Цзян, профессор Чикагского университета, сосредоточился на наиболее распространенном решении: квантовом повторителе . Квантовые повторители будут размещены между узлами в сети для регенерации квантового сигнала, чтобы он мог передаваться на большие расстояния. Никто еще не продемонстрировал успешный квантовый повторитель, хотя, по словам Цзяна, «существует значительный прогресс в этом направлении».

Помимо регенерации сигнала, квантовые повторители могут также предотвращать потерю данных на больших расстояниях за счет исправления ошибок . Коды исправления ошибок широко распространены в классических сетях, таких как Bluetooth и Wi-Fi, где они контролируют ошибки, которые естественным образом возникают в данных, когда сигнал переносит их с одного устройства на другое.

Но квантовые системы чрезвычайно подвержены ошибкам из-за чувствительной природы их квантовых состояний, поэтому исправление ошибок является большой и важной областью исследований в области квантовых технологий.

«С теоретической точки зрения необходимо задать два важных вопроса, — сказал Цзян. «Во-первых, каков максимальный объем квантовой информации, который может быть передан по зашумленному оптоволоконному каналу? Во-вторых, предположим, что мы знаем этот предел. Можем ли мы достичь его с помощью хорошего дизайна кода с исправлением квантовых ошибок?»

В дополнение к стратегиям квантовой коррекции ошибок в квантовых повторителях, а также их предсказанной эффективности, Цзян поделился еще одним применением квантовых сетей : квантовыми центрами обработки данных (QDC), где пользователи квантовой сети могут получить доступ к классической базе данных для целей квантовых вычислений. вычисления. Устройство, необходимое для извлечения классических данных из базы данных в виде квантовых битов, называемое квантовой памятью с произвольным доступом (QRAM), вероятно, было бы чрезвычайно дорогим, но Цзян считает QDC решением.

«Возможно, мы захотим использовать QRAM в качестве квантового сервера, подключающегося к пользователям через квантовую сеть», — сказал Цзян. «Затем все отдельные пользователи могут запрашивать базу данных через квантовую сеть без необходимости иметь QRAM на своей стороне. Это может разделить стоимость такого дорогого устройства».

Выведение квантовых сетей в воздух и за его пределы

По мнению Пола Квиата, профессора физики Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне, решение проблемы потери оптоволоконного сигнала может состоять в том, чтобы вывести квантовую сеть с земли в воздух, с помощью дронов или даже в космос. со спутниками.

«В настоящее время у нас есть только локальные оптоволоконные сети, за очень небольшим исключением», — сказал Квиат. «И у меня есть видение того, к чему мы хотели бы перейти — к гораздо более разнородной ситуации, когда у нас есть соединения между всеми видами платформ… с использованием спутников, подключением к бортовым транспортным средствам, дронам, грузовикам или лодкам». Он отметил, что потеря сигнала в свободном пространстве происходит намного медленнее , чем в оптических волокнах, а это означает, что квантовый сигнал может передаваться на большее расстояние.

У такой «мобильной» квантовой сети есть много преимуществ , где узлы легко перемещать. Некоторые из них носят научный характер, например, проведение крупномасштабных квантовых измерений или изучение квантовых явлений в различных инерциальных системах отсчета для проверки связи между квантовой механикой и теорией относительности. Некоторые из них более практичны: использование бортовых транспортных средств в качестве узлов для квантовой связи, где оптоволоконные соединения не подходят, например, на военных кораблях в океане.

Квантовая сеть между спутниками в космосе позволила бы проводить еще больше испытаний фундаментальной квантовой механики на больших расстояниях и скоростях, чем это возможно на Земле, и над регионами с меняющимися гравитационными эффектами.

В прошлом году НАСА помогло профинансировать возглавляемый США проект Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (SEAQUE), в рамках которого будут тестироваться технологии квантовой связи на орбите. Это будет первая полезная нагрузка в области квантовой информатики на модуле коммерческой космической станции: Nanoracks Bishop Airlock, который прикреплен к Международной космической станции. Это также будет первый запуск «интегрированного оптического волноводного источника», который более эффективен, чем предыдущие аналогичные квантовые эксперименты, поскольку в нем нет движущихся частей, требующих регулярной перестройки. В настоящее время запуск SEAQUE запланирован на весну 2023 года.

Группа Квиата, руководящая проектом, отвечает за оптическую полезную нагрузку и плату управления для SEAQUE; другие элементы предоставляются учреждениями в США, Канаде и Сингапуре.

«Я взволнован, потому что это трехнациональный квантовый эксперимент в космосе», — сказал Квиат. «Это было очень весело».