Мы приближаемся к квантовому Интернету, но что это такое?

[Carder]

Будущий квантовый Интернет будет использовать кубиты квантовой информации, которые могут принимать бесконечное количество значений.
Еще в феврале 2020 года ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета показали, что они достигли квантовой запутанности, в которой поведение пары двух крошечных частиц становится связанным, так что их состояния идентичны. 52-мильная (83,7 км) сеть с квантовыми петлями в пригороде Чикаго.
Вам может быть интересно, о чем идет речь, если вы не ученый, знакомый с квантовой механикой, то есть с поведением материи и энергии в наименьшем масштабе реальности, который сильно отличается от мира, который мы видим вокруг. нас.
Но подвиг исследователей может стать важным шагом в разработке новой, гораздо более мощной версии Интернета в следующие несколько десятилетий. Вместо битов, которые использует сегодняшняя сеть и которые могут выражать только значение 0 или 1, будущий квантовый Интернет будет использовать кубиты квантовой информации, которые могут принимать бесконечное количество значений. (Квибит - это единица информации для квантового компьютера; это как бит в обычном компьютере).

Это дало бы квантовому Интернету больше пропускной способности, что позволило бы подключать сверхмощные квантовые компьютеры и другие устройства и запускать огромные приложения, которые просто невозможны с тем Интернетом, который у нас есть сейчас.
«Квантовый Интернет станет платформой квантовой экосистемы, где компьютеры, сети и датчики обмениваются информацией принципиально новым способом, где зондирование, связь и вычисления буквально работают вместе как одно целое», - объясняет Дэвид Авшалом по электронной почте. Он профессор спинтроники и квантовой информации в Прицкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета и старший научный сотрудник Аргоннского университета, который руководил проектом квантовой петли.

Объяснение квантового Интернета​

Так зачем нам это нужно и для чего это нужно? Во-первых, квантовый интернет не заменяет обычный интернет, который у нас есть сейчас. Скорее, это было бы его дополнением или его ветвью. Он сможет решить некоторые проблемы, которые преследуют нынешний Интернет. Например, квантовый Интернет обеспечит гораздо большую защиту от хакеров и киберпреступников. Прямо сейчас, если Алиса из Нью-Йорка отправляет сообщение Бобу в Калифорнию через Интернет, это сообщение проходит более или менее по прямой линии от одного побережья до другого. Попутно ухудшаются сигналы, передающие сообщение; ретрансляторы считывают сигналы, усиливают и исправляют ошибки. Но этот процесс позволяет хакерам «взломать» и перехватить сообщение.
Однако квантовое сообщение не имело бы такой проблемы. Квантовые сети используют частицы световых фотонов для отправки сообщений, которые не уязвимы для кибератак. По словам Рэя Ньюэлла, исследователя из Лос-Аламосской национальной лаборатории, вместо шифрования сообщения с использованием математической сложности мы будем полагаться на особые правила квантовой физики. С квантовой информацией «вы не можете скопировать ее или разрезать пополам, и вы не можете даже посмотреть на нее, не изменив ее». Фактически, как отмечает журнал Wired, простая попытка перехватить сообщение уничтожает его. Это позволило бы обеспечить гораздо более надежное шифрование, чем все, что доступно сегодня.
«Самый простой способ понять концепцию квантового Интернета - это использовать концепцию квантовой телепортации», - пишет в электронном письме Сумит Хатри, исследователь из Университета штата Луизиана в Батон-Руж. Он и его коллеги написали статью о возможности создания космического квантового Интернета, в котором спутники будут непрерывно транслировать запутанные фотоны на поверхность Земли, как описано в этой статье Technology Review.
«Квантовая телепортация не похожа на то, что может вызвать в воображении не-учёный разум в терминах того, что они видят в научно-фантастических фильмах», - говорит Хатри. «В квантовой телепортации два человека, которые хотят общаться, совместно используют пару запутанных квантовых частиц. Затем с помощью последовательности операций отправитель может отправить любую квантовую информацию получателю (хотя это не может быть сделано быстрее, чем свет. скорость, распространенное заблуждение). Эта совокупность общих связей между парами людей по всему миру, по сути, составляет квантовый Интернет. Центральный вопрос исследования - как лучше всего распределить эти запутанные пары среди людей, разбросанных по всему миру».
Как только станет возможным сделать это в больших масштабах, квантовый Интернет станет настолько удивительно быстрым, что, как пишет журнал Cosmos, можно будет синхронизировать далеко разнесенные часы примерно в тысячу раз точнее, чем лучшие атомные часы, доступные сегодня . Это сделало бы GPS-навигацию гораздо более точной, чем сегодня, и нанесло бы на карту гравитационное поле Земли с такой детализацией, чтобы ученые могли заметить рябь гравитационных волн. Это также может сделать возможным телепортировать фотоны с далеких телескопов видимого света по всей Земле и связать их в гигантскую виртуальную обсерваторию.
«Вы можете потенциально видеть планеты вокруг других звезд», - говорит Николас Питерс, руководитель группы квантовой информатики в Национальной лаборатории Окриджа.

Сети сверхмощных квантовых компьютеров по всему миру также могут работать вместе и создавать невероятно сложные симуляции. Это может помочь исследователям лучше понять поведение молекул и белков, например, а также разработать и испытать новые лекарства.
Это также может помочь физикам разгадать некоторые давние загадки реальности. «У нас нет полного представления о том, как устроена Вселенная», - говорит Ньюэлл. «У нас есть очень хорошее понимание того, как работает квантовая механика, но не очень ясная картина последствий. Картина размыта там, где квантовая механика пересекается с нашим жизненным опытом».

Проблемы построения квантового Интернета​

Но прежде чем что-либо из этого может произойти, исследователи должны выяснить, как построить квантовый Интернет, и, учитывая странность квантовой механики, это будет нелегко. «В классическом мире вы можете кодировать информацию и сохранять ее, и она не портится», - говорит Петерс. «В квантовом мире вы кодируете информацию, и она почти сразу начинает распадаться».
Другая проблема заключается в том, что, поскольку количество энергии, которое соответствует квантовой информации, действительно невелико, трудно удержать ее от взаимодействия с внешним миром. Сегодня «во многих случаях квантовые системы работают только при очень низких температурах», - говорит Ньюэлл. «Другой вариант - работать в вакууме и откачивать весь воздух».
Ньюэлл говорит, что для того, чтобы обеспечить функционирование квантового Интернета, нам понадобятся все виды оборудования, которое еще не разработано. Поэтому сейчас трудно сказать, когда именно квантовый интернет будет запущен и заработает, хотя один китайский ученый предположил, что это может произойти уже в 2030 году.
Вот это интересно
Альберт Эйнштейн, который поставил под сомнение обоснованность квантовой механики, назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии», как объясняет Technology Review.

Квантовый Интернет FAQ​

Насколько быстрым будет квантовый Интернет?
Квантовый Интернет сможет передавать большие объемы данных на огромные расстояния со скоростью, превышающей скорость света.

Возможен ли квантовый Интернет?
В феврале 2020 года ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета показали, что они достигли квантовой запутанности. Подвиг исследователей - важный шаг в разработке новой версии Интернета, но это может занять несколько десятилетий.

Кто возглавляет квантовые вычисления?
IBM - один из самых значительных гигантов в индустрии квантовых вычислений, хотя китайское правительство также делает значительный рывок через Китайскую национальную лабораторию квантовых информационных наук.

Насколько быстр квантовый процессор?
Google объявила, что у нее есть квантовый компьютер, который в 100 миллионов раз быстрее любого классического компьютера.

Какая страна лидирует в области квантовых вычислений?
Согласно Forbes, между Соединенными Штатами и Китаем идет жесткая гонка, но у Америки больше патентов, связанных с квантовыми вычислениями. Вдобавок Google добился квантового превосходства, решив задачу за 200 секунд, на которую классическому компьютеру потребовалось бы 10 000 лет.