Майбутнє квантових технологій

Майбутнє квантових технологій полягає не в тому, щоб кожен дім чи підприємство мали комп'ютер з надзвичайними можливостями. Його життєздатність залежить від мережі, від системи зв'язків, що дозволяють використовувати переваги цієї нової обчислювальної техніки з комп'ютерами меншої індивідуальної потужності, з будь-якого дослідницького чи корпоративного центру, і щоб, зрештою, це було корисно для користувачів. Але для створення цієї мережі необхідно забезпечити можливість квантових комунікацій між машинами на великі відстані без залежності від дорогої інфраструктури. Дослідження, опубліковане в Nature цього тижня, просувається в цьому напрямку, досягнувши в Німеччині когерентного розподілу квантової інформації через 250 кілометрів звичайних волоконно-оптичних кабелів без необхідності кріогенного охолодження.

Мірко Пітталуга, провідний автор дослідження та дослідник Toshiba, і його команда вважають результат «рекордом» не лише за відстанню, а й за використаною інфраструктурою та за досягнутою когерентністю в комунікації. «Це є фундаментальним для архітектури квантового інтернету», – стверджують вони.

За словами Антії Ламас, керівниці Центру квантових мереж Amazon Web Services (AWS), яка не брала участі в дослідженні, цей інтернет нового покоління буде ефективним, «коли всі можливості квантової мережі будуть доступні», і його наслідки будуть вирішальними, як вона пояснила в інтерв'ю, «спочатку у сфері безпеки, а згодом, для підключення квантових комп'ютерів і розширення їх потенціалу». «Ці мережі дозволять нам реалізувати дивовижні можливості», – запевняє вона.

Досягнення останнього дослідження

Досягнення останнього дослідження полягає не лише у відстані комунікації, 250 кілометрів між німецькими містами Франкфурт і Кель. Ця ж команда досягла подібного результату між двома точками через понад 600 кілометрів кабелів. Головним результатом цього разу є підтримка когерентності квантової комунікації з використанням звичайної підземної волоконно-оптичної мережі та в звичайних умовах навколишнього середовища.

Обидва ці аспекти є ключовими, оскільки досі впровадження квантових комунікацій обмежене необхідністю спеціалізованого обладнання, такого як кріогенне, для досягнення температур, близьких до абсолютного нуля, які потрібні частинкам для збереження їхніх властивостей.

Кубіти, основна одиниця квантової інформації та з експоненціально більшою ємністю, ніж звичайний біт, є надзвичайно крихкими та схильними до помилок через їх взаємодію з навколишнім середовищем. Розширення та стиснення оптичних волокон через зміни умов навколишнього середовища, такі як коливання температури, генерують помилки та змушують їх втрачати когерентність.

Але дослідження, опубліковане в Nature, відповідно до попередніх робіт тієї ж команди, змогло подолати це важливе обмеження для майбутнього квантового інтернету. «Ця демонстрація показує сумісність передових протоколів квантових комунікацій, які використовують когерентність світла, з існуючою телекомунікаційною інфраструктурою», – стверджують дослідники.

«Завдяки новим методам, які ми розробили, все ще можливі нові розширення відстані зв'язку для QKD [Quantum Key Distribution або розподілу квантових ключів], і наші рішення також можуть бути застосовані до інших протоколів і додатків квантових комунікацій», – сказав Пітталуга після рекорду в 600 кілометрів.

До цього експерименту дослідники моделювали умови в лабораторії, але в середовищі з контрольованою температурою. Однак ці попередні випробування показали більше коливань. У реальних умовах зв'язку команді вдалося зберегти систему. «У системах квантової комунікації підтримка когерентності між квантовими станами, закодованими різними користувачами, є вирішальною для продуктивності системи та мінімізації помилок», – деталізують вони в роботі.

Карлос Сабін, дослідник Рамона і Кахаля на кафедрі теоретичної фізики Автономного університету Мадрида (UAM), який не брав участі в дослідженні, оцінює результати в Science Media Centre España: «Найбільш новим у цих нових результатах є те, що використовується вже існуюче комерційне оптичне волокно і не додається більш складних і звичних технологій у лабораторіях квантової фізики, таких як порожнини або холодильники для наднизьких температур. Використовувані квантові біти – це фотони, згенеровані за допомогою лазерів, на відміну, наприклад, від інших попередніх експериментів, таких як опублікований минулого року в Nature, в якому квантова заплутаність генерувалася в Бостоні між експериментально складнішими системами, включаючи використання порожнин. Ці системи можуть бути більш придатними для побудови квантових запам'ятовуючих пристроїв, але використання оптичних фотонів, натомість, дозволяє здійснювати квантові комунікації на дуже великих відстанях».

Фізик нагадує про інше нещодавнє дослідження, опубліковане в Optica, яке перевіряло квантову телепортацію з фотонами і також у звичайному оптичному волокні, що використовується, хоча й на набагато меншій відстані, близько 30 кілометрів, і з коефіцієнтом помилок близько 10%.

«Ці нові результати, – додає Сабін щодо публікації цього тижня, – з невеликим коефіцієнтом помилок близько 5%, являють собою крок вперед у можливості створення комунікаційних мереж, заснованих на квантовій фізиці та інтегрованих в існуючу технологію оптичного волокна в наших містах, хоча варто уточнити, що ми все ще перебуваємо на дуже попередньому етапі розвитку».

Команда Пітталуги вважає, що досягла фундаментальної віхи для квантового інтернету: «Наша робота демонструє сумісність квантових комунікацій на основі когерентності з існуючою мережевою інфраструктурою та практичну реалізацію ефективного квантового ретранслятора над комерційними мережами. Ми також досягли, наскільки нам відомо, найбільших відстаней для QKD у реальному світі з використанням технології, не охолодженої кріогенно. Наші висновки підтверджують, що умови навколишнього середовища в операційних телекомунікаційних центрах порівнянні або навіть кращі, ніж ті, що моделюються в лабораторіях, що сприяє подальшій комерціалізації та створенню прототипів когерентного обладнання квантового зв'язку. Це досягнення закладає основу для майбутніх практичних і високопродуктивних квантових комунікацій і мереж».

Ця висока продуктивність є ще одним викликом квантової комунікації. Традиційні методи, такі як розподіл квантових ключів (QKD), з яким працювала команда Пітталуги, та інші, такі як хаотичне шифрування, часто жертвують швидкістю або пропускною здатністю передачі заради безпеки. Однак у дослідженні дослідників з Університету Цзяо Тун у Шанхаї представлено інтегровану структуру шифрування та комунікації (IEAC), яка поєднує надійну безпеку з високою пропускною здатністю передачі, на основі глибокого навчання «кінець-у-кінець» (E2EDL), для досягнення рекордної безпечної передачі 1 Тб на секунду через 1200 кілометрів оптичного волокна, що є віхою в комунікаціях через цю інфраструктуру, безпечну, високопродуктивну та на великі відстані.

«Наша робота усуває розрив між безпекою та пропускною здатністю передачі в оптичних комунікаціях. Завдяки включенню шифрування у фізичний рівень, IEAC відкриває шлях для безпечних і високопродуктивних мереж, здатних підтримувати вимоги до даних, що керуються ШІ», – каже Лілінь Ї, співавтор дослідження та професор у Шанхайському університеті.