První světová síť s více uzly nás přivádí blíže k nepolapitelnému kvantovému internetu
Vědci z výzkumného centra QuTech v Nizozemsku vytvořili systém, který je tvořen třemi kvantovými uzly zapletenými strašidelnými zákony kvantové mechaniky, které řídí subatomární částice. Je to poprvé, co více než dva kvantové bity neboli "qubits“, které provádějí kvantové výpočty, byly spojeny dohromady jako uzly nebo síťové koncové body.
Vědci očekávají, že první kvantové sítě odemknou nepřeberné množství výpočetních aplikací, které nelze provést pomocí stávajících klasických zařízení, jako je například rychlejší výpočet a vylepšená kryptografie.
Jaká bude kvantová budoucnost?
"Umožní nám to spojit kvantové počítače s větším výpočetním výkonem, vytvořit nehackovatelné sítě a propojit atomové hodiny a dalekohledy společně s bezprecedentní úrovní koordinace,“ říká Matteo Pompili, člen výzkumného týmu QuTech. "Existuje také spousta aplikací, které opravdu nemůžeme nyní předvídat. Jednou z nich může být vytvoření algoritmu, který bezpečným způsobem povede volby.“
Stejně jako tradiční počítačový bit je základní jednotkou digitální informace, je qubit základní jednotkou kvantové informace. Stejně jako bit může být qubit buď 1 nebo 0, což představuje dvě možné pozice ve dvoustavovém systému.
Ale to je vše, tím veškeré podobnosti končí. Díky bizarním zákonům kvantového světa může qubit existovat v superpozici stavů 1 a 0 až do okamžiku, kdy je změřen, kdy se náhodně zhroutí do 1 nebo 0. Toto podivné chování je klíčem kvantového výpočtu, protože umožňuje qubitu provádět více výpočtů současně.
Největší výzvou při zapletení těchto qubits do kvantové sítě je nastolit a udržovat proces tzv. propojení. To je, když se dva qubits sloučí a spojí své vlastnosti tak, že jakákoliv změna v jedné částici způsobí změnu v druhé, i když jsou odděleny obrovskými vzdálenostmi.
Kvantové uzly můžete zaplést mnoha způsoby, ale jedna běžná metoda funguje tak, že se stacionární qubity (které tvoří uzly sítě) nejprve zapletou fotony nebo světelnými částicemi, než na ně fotony vystřelí. Když se setkají, oba fotony se také zapletou, čímž zapletou qubity. Tím se spojí dva stacionární uzly, které jsou odděleny nějakou vzdáleností. Jakákoliv změna provedená v jednom se projeví okamžitou změnou v druhém. To umožňuje vědcům změnit stav částice změnou stavu jejího vzdáleného zapleteného partnera a účinně teleportovat informace na dálku.
Zapletení jako kámen úrazu kvantové budoucnosti
Udržování stavu zapletení je ale těžký úkol, zejména proto, že zapletený systém je vždy vystaven riziku interakce s vnějším světem a zničení procesem zvaným dekoherence. To znamená, že kvantové uzly musí být udržovány na extrémně nízkých teplotách uvnitř zařízení zvaných kryostaty, aby se minimalizovala šance, že qubits budou interferovat s něčím mimo systém. Fotony použité v zapletení nemohou cestovat na velmi dlouhé vzdálenosti, než jsou absorbovány nebo rozptýleny, neboť ničí vysílaný signál mezi dvěma uzly.
"Problém je v tom, že na rozdíl od klasických sítí nemůžete zesílit kvantové signály. Pokusíte-li se kopírovat qubit, zničíte ten původní,“ řekl Pompili. "To opravdu omezuje vzdálenosti, na které můžeme posílat kvantové signály, a to na desítky stovek kilometrů. Pokud chcete navázat kvantovou komunikaci s někým na druhé straně světa, budete potřebovat mezi nimi přenosové uzly.“
Aby tento problém vyřešil, vytvořil tým síť se třemi uzly, ve kterých fotony v podstatě procházejí zapletením z qubitu v jednom z vnějších uzlů do jednoho ve středním uzlu. Střední uzel má dva qubity, jeden pro získání zapleteného stavu a druhý pro jeho uložení. Jakmile je zapletení mezi jedním vnějším uzlem a prostředním uzlem uloženo, prostřední uzel zamotá druhý vnější uzel s jeho náhradním qubitem. Když je toto vše hotové, prostřední uzel zaplétá své dva qubity, což způsobuje zapletení qubitů vnějších uzlů.
Aby vědci mohli vytvořit zapletené fotony a přenesli je do uzlů správným způsobem, museli použít složitý systém zrcadel a laserového světla. Skutečně náročnou součástí byla technologická výzva snížit šum v systému a zajistit, aby všechny lasery používané k výrobě fotonů byly dokonale synchronizovány. "Mluvíme o tom, že máme pro každý uzel tři až čtyři lasery, takže musíme mít 10 laserů a tři kryostaty, které všechny musejí pracovat současně, spolu se vší elektronikou a synchronizací,“ řekl Pompili.
Dalším krokem výzkumníků s jejich novou sítí bude pokus o přenos těchto informací spolu se zdokonalením základních komponent výpočetních schopností sítě, aby mohly fungovat jako běžné počítačové sítě. Všechny tyto věci dají základ tomu, co v budoucnu bude kvantová síť představovat. Dále čtěte: Nově objevené chyby zabezpečení Wi-Fi ohrožují všechna mobilní zařízení.
