Квантовый интернет

Основная статья: Квантовые компьютеры и квантовая связь

2024: Разработка твердотельных кубитов для гибридных квантовых сетей

Группа ученых из Московского государственного университета, Сколковского института науки и технологий и Парижского университета науки и литературы разработала новое устройство для создания гибридных квантовых сетей. О публикации результатов исследования в журнале Advanced Quantum Technologies объявлено 24 октября 2024 года.

Как пишет «Научная Россия», разработка объединяет преимущества твердотельных кубитов (искусственных атомов) и фотонов для передачи информации в квантовых сетях. Проект реализован научной группой под руководством исследователей НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ.

𝓲

123rf.com

Ведущий научный сотрудник отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев заявил, что одной из особенностей предложенной системы является способность преобразовывать неклассическое поле с одной частоты в поле с другой частотой, что позволяет адаптировать сигналы для передачи между различными типами квантовых устройств.Обзор российского рынка банковской цифровизации: импортозамещение, искусственный интеллект и собственные экосистемы 6.9 т

Исследователи предложили использовать сверхпроводниковые кубиты на основе джозефсоновских переходов, способные взаимодействовать с электромагнитными полями в микрополостях. Высокая чувствительность сверхпроводниковых атомов к внешним полям используется для создания квантового контроллера.

Новый подход к проектированию гибридных квантовых сетей основан на разработке устройства, преобразующего квантовую информацию между твердотельными и фотонными кубитами. Это позволяет создавать масштабируемые квантовые системы с передачей информации между чипами посредством неклассических электромагнитных полей.

Исследовательская группа включает специалистов из различных научных центров: Ольгу Тихонову и Игоря Соловьева из НИИЯФ МГУ, Романа Захарова и Николая Кленова с физического факультета МГУ, Владимира Антонова из Сколтеха и Дмитрия Яковлева из Парижского университета науки и литературы. Результаты их работы представлены на обложке октябрьского выпуска журнала Advanced Quantum Technologies.^[1]

2023: Проведена первая телепортация квантовой энергии

В середине января 2023 года впервые была экспериментально показана возможность телепортации энергии. Результаты данного исследования могут оказать значительное влияние на будущее квантового интернета.

В 2000-х годах японский физик Масахиро Хотта (Masahiro Hotta) из Университета Тохоку предположил, что телепортация может быть использована не только для обмена информацией, но и для переноса энергии. За прошедшее время была разработана теоретическая основа квантовой телепортации энергии. Теперь проведён первый эксперимент.

Показана возможность телепортации квантовой энергии

Классическая квантовая телепортация предусматривает передачу квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве запутанной пары и обычного канала связи. Состояние частицы разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздаётся в точке приёма. Квантовая телепортация в её стандартном понимании не передаёт энергию или вещество на расстояние. Однако теперь исследователь Кадзуки Икеда (Kazuki Ikeda) из Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке говорит, что ему впервые удалось телепортировать энергию с помощью обычного квантового компьютера.

Ключевая идея телепортации квантовой энергии заключается в том, что энергия любой квантовой системы постоянно колеблется. Именно эти естественные колебания энергии можно использовать на квантовом уровне.

Мы сообщаем о первой реализации и наблюдении телепортации квантовой энергии на реальном квантовом оборудовании, — говорит Икеда.

Масахиро Хотта первоначально показал, что измерение состояния части квантовой системы неизбежно вводит энергию в эту систему. В квантовом мире энергия затем может быть извлечена из другой части системы без её фактического перемещения через пространство. Суть заключается в том, что никакая энергия не приобретается и не теряется — она просто переносится. Говорится, что при проведении эксперимента был использован квантовый компьютер IBM. Полученные результаты согласуются с теорией Масахиро Хотты.^[2]

2020

Британские физики разработали прототип доступного квантового интернета

Международная команда исследователей на шаг приблизилась к созданию доступного квантового интернета. Об этом стало известно 3 сентября 2020 года. В отличие от обычной «всемирной паутины», эта технология безопасна и защищена от кибератак. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Система «мультиплексирования» Бристольского университета разделяет световые частицы, которые передают информацию нескольким пользователям Интернета из единого центрального источника. Исследователи продемонстрировали технологию, использующую странные эффекты квантовой запутанности, на оптических волокнах в разных местах Бристоля.

Команда учёных смогла создать квантовую сеть на большой дистанции без доверительных узлов. Информацию по ней распределяли между восемью пользователями. Данный метод позволил значительно сократить количество используемых каналов связи. Любопытно, что пользователей может соединять всего один канал, но каждый из них при этом может передать информацию каждому.

Метод, предложенный учеными, основан на простой двучастичной запутанности между частотными модами сигнала. Такой подход позволяет квадратично сократить количество используемых каналов связи, что очень важно для масштабируемости квантовой коммуникации. Более того, в то время как пользователей соединяет всего один канал, каждый может передать секретную информацию каждому, то есть топология логической связи, несмотря на простую физическую имплементацию, — это полный граф^[3].

Япония начала работу над созданием глобальной квантовой криптосети

Япония начала работу над глобальным сервисом квантового распределения ключей. В рамках проекта до 2024 года планируется построить сеть, включающую более 100 квантовых криптографических устройств и 10000 пользователей по всему миру. Об этом стало известно 29 июля 2020 года.

Также будут разработаны четыре технологии:

• Технология квантовой связи (Quantum Communications Link Technology), реализующая высокоскоростное, магистральное, высокодоступное соединение в квантовых криптографических сетях связи;
• Технология доверенных узлов (Trusted Node Technology), обеспечивающая надежность и защиту от взлома систем управления криптографическими ключами, а также повышающая конфиденциальность, целостность и доступность квантовых криптографических коммуникаций;
• Технология квантового реле (Quantum Relay Technology), расширяющая расстояния и защищающая реле криптографических ключей на земле;
• Технология построения и эксплуатации глобальных сетей, управляющая и контролирующая глобальные и крупномасштабные квантовые криптографические сети связи.

Квантовое шифрование видит ключи зашифрованными в квантовом состоянии частицы, зачастую запутанного фотона. Поскольку в квантовой механике измерение квантового состояния приводит к его изменению, можно узнать, пытался ли кто-то увидеть квантовый ключ. Это позволит выявлять скомпрометированные ключи и принимать соответствующие меры.

В то время как основы квантового шифрования хорошо понятны, и даже были проведены демонстрации квантового распределения ключей между Землей и космосом, совместное использование и распределение ключей по-прежнему является редкостью.

Над глобальным сервисом квантового распределения ключей работают компании Toshiba и NEC, а также несколько японских университетов. На реализацию проекта в первый год правительство Японии выделило $13,3 млн.

Источник напомнил, что 23 июля 2020 года в Чикагском университете был представлен проект квантового интернета. Согласно плану, примeрно чeрeз год ученыe должны создать квантовый канал связи между лабораторией Чикагского унивeрситeта и Национальной лабораторией имeни Фeрми в Батавии (Чикаго, США).

Квантовое распределение ключей – метод передачи ключа, предполагающий использование квантовых явлений для обеспечения безопасной связи. Этот метод позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создавать известный только им общий случайный ключ и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений^[4].

Старт разработки квантового интернета в США

В конце июля 2020 года Министерство энергетики США представило стратегию разработки национального квантового интернета, который невозможно будет взломать. Власти сотрудничают с университетами и отраслевыми исследователями и обещают создать решение в течение десяти лет. Подробнее здесь.

РВК предоставила 300 млн рублей на разработку платформы для квантового интернета в России

В конце апреля 2020 года стало известно о том, что РВК предоставила Университету ИТМО грант в размере 300 млн рублей на разработку платформы для квантового интернета. Речь идёт об аппаратно-программном решении под названием «Квантовая коммуникационная платформа цифровой экономики», которое развивается при поддержке РЖД. Запустить пилотную зону на инфраструктуре РЖД для внедрения платформы планируется в 2021 году. Подробнее здесь.

2019: Разработан первый в истории протокол квантового интернета

В августе 2019 г стало известно, что нидерландские ученые разработали первый в мире протокол для так называемого квантового интернета, работающего без помех и максимально защищенного от взлома. Идея принадлежит специалистам исследовательского центра QuTech^[5].

Протокол, работающий на канальном уровне, разработан группой ученых под руководством профессора Стефани Вейнер (Stephanie Wehner). Также они проработали общую концепцию квантовых сетей, которые в будущем, по их мнению, могут заменить собой традиционный интернет и локальные сети.

В основе идеи специалистов QuTech лежит принцип очень быстрой обработки кубитов, поскольку они не могут находиться в памяти длительное время. Это обеспечит высокую скорость передачи информации, а явление квантовой запутанности, еще одна основа протокола, даст возможность максимально защитить передаваемые данные.

Явление квантовой запутанности подразумевает взаимозависимость двух и более объектов, в данном случае кубитов, и их неразрывную связь друг с другом. Попытка перехвата данных приведет к изменению квантового состояния одного или нескольких кубитов и, как следствие, к потере передаваемой информации. Другими словами, информацию может получить исключительно целевое устройство – несанкционированный доступ к ней исключен.

Технические подробности о работе первого протокола квантовой сети Стефании Вейнер оставила в тайне. Она уточнила лишь, что для работы квантового интернета вполне сгодится физическая инфраструктура обычного интернета.

2017: Ученые из Австралии разработали кристалл, легированный ионами эрбия, для квантового интернета

Как стало известно 12 сентября 2017 года, группа исследователей из Австралийского национального университета (ANU) разработала легированный ионами эрбия кристалл, который, как предполагается, может стать оптимальным материалом для построения глобальной телекоммуникационной сети. По мнению исследователей, кристалл, обладающий «странными квантовыми свойствами», может применяться в том числе для создания сети следующего поколения — квантового интернета. Эксперимент с кристаллами эрбия проводился под руководством доцента ANU Мэтью Селларса, пишет ZDNet.

По его словам, исследователям удалось значительно улучшить жизненно важный компонент для практического применения квантового интернета — время хранения квантовой памяти. Теоретически единицу информации квантовых компьютеров (кубит) можно сохранить с помощью фотонов, которые изменяют энергетические уровни атомов. Состояния «0» и «1» обеспечиваются низкими и высокими уровнями энергии, однако считывать подобную информацию достаточно сложно — атомы могут просто разойтись или "переизлучить" фотон, содержащий кубит, в случайном направлении.^[6]

Открытие

Австралийские исследователи предложили иной способ хранения квантового состояния. В его основе лежит эрбий — ион редкоземельного элемента, квантовые свойства которого позволяют ему передавать-принимать данные посредством волн длиной 1550 нм. Такие же волны используются в современных волоконно-оптических системах. В ходе эксперимента было установлено, что применение эрбия при передаче квантовых состояний устраняет необходимость в процессе преобразования, более того, их передача осуществима в существующих телекоммуникационных сетях. Исследователям удалось доказать, что ионы эрбия в кристалле могут хранить квантовую информацию на протяжении секунды — в 10 тыс. раз дольше, чем позволяют уже известные методологии хранения. Однако ученым еще предстоит «разогнать» ионы редкоземельного элемента для обеспечения циркуляции квантовой информации по всей глобальной сети.

Применение

Как отметила д-р Роуз Ахлефельдт, сотрудник Центра квантовых вычислительных и коммуникационных технологий ANU, квантовая память с продолжительностью жизни в 1 секунду позволит буферизовать и синхронизировать информацию, что необходимо для квантовой связи на больших расстояниях. Технология может также работать как квантовый источник света или применяться для оптической связи между твердотельными квантовыми вычислительными устройствами, подключенными к квантовому интернету.

По утверждению исследователей ANU, разработанный кристалл совместим с существующей волоконной оптикой и со сверхпроводящими кубитами, разрабатываемыми Google и IBM, при этом сможет работать со многими типами квантовых компьютеров, включая CQC2T.

Примечания