Учёные Гарвардского университета и Центра квантовых сетей AWS в Amazon разместили в одном из районов Бостона несколько технологических узлов для организации сети, посредством которой была произведена передача запутанного фотона от одного квантового компьютера на другой на расстояние 35 км.

Источник изображения: Pete Linforth / pixabay.com

Построенная учёными сеть обеспечила возможность «эффективно получать, записывать, и передавать информацию, изначально хранящуюся в свете» — в данном случае фотонами в состоянии квантовой запутанности. Свету свойственно рассеиваться, и чтобы предотвратить рассеяние этих фотонов при передаче на большие расстояния необходимы ретрансляторы, которые не разрушают их запутанность и не изменяют сохранённую информацию. Захват света и его взаимодействие с элементами памяти осуществляется при помощи полостей в алмазах — выполняющие эти функции узлы могут выпускаться серийно с использованием современных технологий нанопроизводства.

В рамках проведённого эксперимента находящийся в состоянии квантовой запутанности фотон пролетел более 35 км и хранился более одной секунды, чего хватило бы для преодоления расстояния более чем 300 тыс. км, то есть он смог бы обогнуть Землю 7,5 раз. В квантовых сетях применяются те же принципы, что и в квантовых компьютерах — передача информации осуществляется с использованием квантового состояния фотонов. Эксперименты с квантовыми сетями проводятся уже давно, но коммерческих версий пока не создавал никто. Потребуется ещё множество улучшений, прежде чем сеть станет масштабируемой и коммерчески жизнеспособной, отметили в AWS. Пока она работает медленно и отправляет только один элемент данных за раз.

В свежем номере престижного журнала Optics Express вышла статья за авторством российских учёных, в которой рассказано о создании спутникового квантово защищённого канала связи длиной 3800 км. После передачи квантового ключа между станциями в Звенигороде и Наньшане в каждую из сторон было передано абсолютно защищённое от перехвата изображение.

Схема установки в Звенигороде. Источник изображения: Optics Express

В основе эксперимента использовался старый китайский спутник «Мо-цзы». Он был запущен Китаем в космос ещё в 2016 году для постановки экспериментов с передачей через космос распределённых квантовых ключей. Традиционно для этого использовались оптические линии передач, что обусловлено используемыми носителями квантовых состояний — фотонами. При перехвате подобных носителей квантовые состояния разрушались, и это сигнализировало о компрометации передачи.

В России первую линию квантовой связи (между банками) запустили ещё в 2017 году. В Китае учёные активнее работают в этом направлении. Например, с помощью защищённой наземной квантовой линии связи была организована диспетчеризация энергогенерирующих мощностей на побережье по командам из Пекина. Для организации глобальной квантовой сети удобно использовать спутники с лазерными каналами, что было реализовано в недавнем российско-китайском эксперименте. Добавим, плюс спутниковых систем в том, что сигнал можно передать на большее расстояние с меньшим затуханием, а это бич оптоволоконных квантовых сетей.

В ходе эксперимента на специально созданной установке из двух телескопов — один для работы с данными, а другой для наведения на спутник — учёными из Университета МИСиС, Российского квантового центра и компании «КуСпэйс Технологии» удалось передать информацию по защищенному квантовому каналу между Россией и Китаем на расстояние 3,8 тыс. км. Сначала станции обменялись квантовым ключом длиною 310 Кбит, а затем, используя шифрование, изображениями размерами 256 × 64 пикселя.

Собранные в процессе организации канала данные будут использованы для дальнейшего развития квантовой связи и, прежде всего, спутниковой, которая пока не используется в коммерческих целях. Китай также опережает другие страны на этом пути. Летом 2022 года на орбиту был выведен спутник квантовой связи нового поколения — Jinan 1 («Цзинань-1»), который обещает передавать квантово защищённые ключи на два–три порядка быстрее платформы «Мо-цзы».

Компания Amazon совместно с одним из подразделений компании De Beers Group наладит выращивание алмазов с заданными характеристиками — их планируется использовать для революционного изменения компьютерных сетей. Группа Element Six, входящая в De Beers, будет работать с Центром квантовых сетей Amazon Web Services (AWS), создавая решения нового поколения для безопасной передачи данных на длинные дистанции.

Источник изображения: ColiN00B/pixabay.com

Квантовые сети используют субатомную материю для доставки данных способом, принципиально отличающимся от того, что применяется в современных оптоволоконных системах. Считается, что алмазы станут частью этой системы — они позволят отправлять данные на более протяжённые расстояния без сбоев.

Если обычные ретрансляторы не могут передавать информацию в виде кубитов, то новое оборудование может обеспечить революционными возможностями сети AWS, которая является поставщиком облачных вычислительных сервисов — на них приходится немалая часть прибыли Amazon. По оценкам экспертов компании, технологию начнут использовать «через годы, а не десятилетия», как предполагалось ранее.

Поскольку Amazon владеет значительной долей на рынке облачных вычислений и хранилищ информации, компания намерена с помощью защищённой квантовой связи сохранять лидерство в критически важных для себя сферах, что обеспечит ей преимущество перед конкурентами вроде Microsoft и Google. В Element Six надеются найти новое применение промышленным алмазам, которые ценятся за твёрдость и возможность работать в качестве линз. Их использование в квантовых решениях может открыть большие возможности для De Beers.

Широкое распространение квантовых сетей потребует большого числа специальных компонентов, включая специализированные алмазы. Сообщается, что Element Six недавно открыла завод в США, позволяющий создавать до 2 млн подобных элементов ежегодно с помощью технологии химического осаждения из паровой фазы.

Алмаз представляет собой одну из разновидностей углерода, благодаря своей кристаллической структуре это один из самых твёрдых и теплопроводных материалов, встречающихся в природе. В натуральных алмазах встречаются вкрапления других химических элементов вроде атомов азота, влияющих на цвет камней, а учёные считают, что подобные, но только искусственно упорядоченные вкрапления могут способствовать их использованию в качестве ретрансляторов в квантовых сетях.

Кроме того, их массовое производство может помочь распространению квантовых вычислений — сети должны подключаться к квантовым компьютерам, работающим на родственных технологиях, что и позволит создавать целые вычислительные сети невообразимой сегодня производительности.

Классическая квантовая телепортация — это условность, которая требует параллельной передачи данных по обычным каналам связи. Телепортацией она называется потому, что квантовая информация разрушается в одном месте и как бы мгновенно возникает в другом: одна из двух спутанных частиц исчезает, а её квантовое состояние с помощью обычной связи воспроизводится в другой далеко отнесённой частице. Оказалось, телепортация допускается без всяких условностей: раз — и там!

Источник изображения: Andrew Mueller/INQNET

Теорией прямой телепортации квантовой информации без переноса частиц или энергии занимается физик Хатим Салих (Hatim Salih) из Бристольского университета в Великобритании. У этого учёного был ряд публикаций в мировых научных журналах и новая работа также отмечена публикацией в журнале Quantum Science and Technology. Ранее он предложил несколько протоколов и экспериментов для доказательства существования «контрфактической коммуникации» — связи, которая не может быть объяснена существующими практикой и теориями обычной и квантовой физики.

В своей новой работе физик доказывает, что пара спутанных частиц способна мгновенно передавать квантовую информацию без «костылей» в виде обычных каналов связи — это явление он предлагает называть контрпортацией (counterportation). По крайней мере, в теории всё обещает работать, но учёный рассчитывает дойти до постановки эксперимента (и подобного рода эксперименты уже ставятся, о чём мы также рассказывали).

«Хотя контрпортация достигает конечной цели телепортации, а именно развоплощённой транспортировки [информации], она удивительным образом делает это без каких-либо обнаруживаемых носителей информации, путешествующих через границу, — говорит физик. — Если контрпортация будет реализована, необходимо будет построить совершенно новый тип квантового компьютера: безобменный, в котором общающиеся стороны не обмениваются частицами».

Согласно выкладкам Салиха, пара связанных частиц взаимодействует посредством частного случая моста Эйнштейна–Розена. Это вариант червоточины или прокола в пространстве-времени. Система взаимодействия описывается известными уравнениями и имеет право на существование. Традиционно червоточины описывали с позиций чёрных дыр, поскольку это явления одного порядка. Но кто говорит, что это исключительно астрофизические объекты? Червоточина в пределах одного квантового компьютера может обеспечить безэнергетическую связь для передачи данных между кубитами, квантовыми процессорами и кластерами, а в масштабах страны — и квантового интернета.

«Цель ближайшего будущего — физически построить такую червоточину в лаборатории, которая затем может быть использована в качестве испытательного стенда для конкурирующих физических теорий, даже теорий квантовой гравитации», — уверен учёный, и подробно доказывает подобную возможность в своей статье, полностью доступной по ссылке.

Скорость квантовой связи или распределения квантовых ключей зависит от многих факторов, и одним из них является скорость детектирования одиночных фотонов. Современные детекторы способны регистрировать до 800 млн фотонов в секунду, что хорошо, но мало. Специалисты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) смогли установить новый рекорд, разработав однофотонный детектор с производительностью 1,5 млрд фотонов в секунду и это не предел.

Датчик подсчёта фотонов Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ). Источник изображения: JPL-Caltech/NASA

Ряд схем квантовой связи опираются на способность обнаружить и обработать оптический сигнал на уровне одного фотона. В процессе детектирования с высочайшей точностью регистрируется время прихода каждого фотона (кванта электромагнитной энергии). По мере роста скорости передачи квантовой информации детекторы также должны увеличивать свою производительность, не теряя в эффективности и чувствительности.

Наиболее перспективной платформой для достижения сверхвысоких скоростей подсчёта фотонов считаются детекторы на основе сверхпроводящих нанопроволок. Детектор охлаждается до температуры близкой к абсолютному нулю. Нанопроволока поглощает фотон и нагревается на величину поглощённой энергии. Тем самым электрическое сопротивление нанопроволоки изменяется и это отражается на величине текущего через неё тока. Регистрация времени этого изменения обеспечивает точную привязку к времени прихода фотона.

Эффективность обнаружения фотонов таким способом одна из самых высоких среди всех известных методов и достигает 98 %. Также нанопроволоки интересны тем, что способны обнаруживать фотоны на длинах волн от среднего инфракрасного до ультрафиолетового. Но у всего этого есть один недостаток, который не позволяет увеличить скорость подсчёта, скажем, выше 800 млн фотонов в секунду. Мешает этому процессы отвода тепла от нанопроволок после поглощения фотонов — на это банально требуется время, в течение которого детекторы остаются слепы.

Именно это ограничение пытались преодолеть физики из JPL, когда предложили свою конструкцию детектора в виде хвоста павлина. Да, они его так и назвали — PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta). Детектор PEACOQ достиг максимальной скорости счёта около 1,5 млрд фотонов в секунду, сохраняя при этом высокую эффективность и низкий уровень шума.

Секрет кроется в 32 прямых сверхпроводящих нанопроводах, веером расходящихся из центра детектора, как павлиний хвост. Регистрация фотонов происходит параллельно (независимо) каждой нанопроволокой с временным разрешением менее 100 пс. В ходе экспериментов с новым датчиком максимальная скорость регистрации фотонов достигала 1,5 млрд в секунду, что почти в два раза превышает возможности современных счётчиков фотонов.

Усложнение датчика незначительно снизило эффективность детектирования, но не ниже 78 % в режиме максимальной нагрузки. Дальнейшие исследования будут направлены на увеличение этого параметра. Но даже в таком виде квантовая связь может получить толчок в развитии, если датчики PEACOQ найдут путь к разработчикам устройств квантовой связи.