В нескольких словах
Ученые добились значительного прогресса в области квантовой связи, успешно передав квантовую информацию на 250 километров по обычному оптоволоконному кабелю без криогенного охлаждения. Это важный шаг к созданию квантового интернета и безопасному обмену данными на больших расстояниях.
Будущее квантовых технологий
Будущее квантовых технологий зависит не от наличия у каждого дома или компании компьютера с необычайными возможностями. Его жизнеспособность заключается в сети, в структуре соединений, которые позволяют использовать преимущества этой новой вычислительной техники с компьютерами меньшей индивидуальной мощности, из любого исследовательского или корпоративного центра, и, в конечном счете, быть полезной для пользователей. Но для создания этой сети необходимо обеспечить возможность квантовой связи между машинами на большие расстояния, не полагаясь на дорогостоящую инфраструктуру. Исследование, опубликованное в среду в журнале Nature, продвигается в этом направлении, достигнув в Германии когерентного распределения квантовой информации по 250 километрам обычных оптоволоконных кабелей без необходимости криогенного охлаждения.
Мирко Питталуга, ведущий автор исследования и научный сотрудник Toshiba, и его команда считают результат «рекордом» не только по расстоянию, но и по используемой инфраструктуре и по когерентности, достигнутой в связи. «Это имеет основополагающее значение для архитектуры квантового интернета», — утверждают они.
По словам Антии Ламас, главы Центра квантовых сетей Amazon Web Services (AWS), не участвовавшей в исследовании, этот интернет нового поколения будет эффективным, «когда все возможности квантовой сети будут доступны», и его последствия будут иметь решающее значение, как она объяснила в интервью, «прежде всего в области безопасности, а в дальнейшем — для подключения квантовых компьютеров и расширения их потенциала». «Эти сети позволят нам внедрить удивительные возможности», — уверяет она.
Достижение недавнего исследования заключается не только в расстоянии связи, 250 километрах между немецкими городами Франкфурт и Кель. Эта же команда ранее достигла аналогичного результата между двумя точками на расстоянии более 600 километров кабелей. Основным результатом в данном случае является поддержание когерентности квантовой связи с использованием обычной подземной оптоволоконной сети и в обычных условиях окружающей среды.
Эти два аспекта являются ключевыми, поскольку до сих пор внедрение квантовой связи ограничивалось необходимостью в специализированном оборудовании, таком как криогенное, для достижения температур, близких к абсолютному нулю, которые необходимы частицам для сохранения своих свойств.
Кубиты, базовая единица квантовой информации с экспоненциально большей емкостью, чем обычный бит, чрезвычайно хрупки и подвержены ошибкам из-за взаимодействия с окружающей средой. Расширение и сжатие оптических волокон из-за изменений в условиях окружающей среды, таких как колебания температуры, генерируют ошибки и приводят к потере когерентности.
Но исследование, опубликованное в Nature, в соответствии с предыдущими исследованиями той же группы, позволило преодолеть это важное ограничение для будущего квантового интернета. «Эта демонстрация показывает, что передовые протоколы квантовой связи, использующие когерентность света, могут работать с существующей телекоммуникационной инфраструктурой», — утверждают исследователи.
«С новыми методами, которые мы разработали, все еще возможны дальнейшие расширения дальности связи для QKD [Quantum Key Distribution или распределения квантовых ключей], и наши решения также могут быть применены к другим протоколам и приложениям квантовой связи», — заявил Питталуга после рекорда в 600 километров.
До этого эксперимента исследователи имитировали условия в лаборатории, но в среде с контролируемой температурой. Однако эти предварительные испытания показали больше колебаний. В реальных условиях связи команде удалось сохранить систему. «В системах квантовой связи поддержание когерентности между квантовыми состояниями, закодированными разными пользователями, имеет решающее значение для производительности системы и минимизации ошибок», — уточняют они в работе.
Карлос Сабин, исследователь Ramón y Cajal на кафедре теоретической физики Автономного университета Мадрида (UAM), не участвовавший в исследовании, оценивает результаты в Science Media Centre Spain: «Самым новым в этих новых результатах является то, что используется уже существующее коммерческое оптоволокно и не добавляется более сложная и привычная технология в лабораториях квантовой физики, такая как резонаторы или холодильники для сверхнизких температур. Используемые квантовые биты — это фотоны, генерируемые лазерами, в отличие, например, от других предыдущих экспериментов, таких как опубликованный в прошлом году в Nature, в котором квантовая запутанность генерировалась в Бостоне между экспериментально более сложными системами, включая использование резонаторов. Эти системы могут быть более подходящими для построения квантовых запоминающих устройств, но использование оптических фотонов, напротив, позволяет осуществлять квантовую связь на очень больших расстояниях».
Физик напоминает о другом недавнем исследовании, опубликованном в Optica, в котором тестировалась квантовая телепортация с фотонами и также в обычном и используемом оптоволокне, хотя и на гораздо меньшем расстоянии, около 30 километров, и с уровнем ошибок 10%.
«Эти новые результаты, — добавляет Сабин в отношении публикации этой среды, — с небольшим уровнем ошибок около 5%, представляют собой шаг вперед в возможности создания сетей связи, основанных на квантовой физике и интегрированных в технологию оптоволокна, уже существующую в наших городах, хотя следует уточнить, что мы все еще находимся на очень предварительном этапе развития».
Команда Питталуга считает, что достигла важной вехи для квантового интернета: «Наша работа демонстрирует совместимость квантовой связи, основанной на когерентности, с существующей сетевой инфраструктурой и практическую реализацию эффективного квантового ретранслятора в коммерческих сетях. Мы также достигли, насколько нам известно, самых больших расстояний для QKD в реальном мире с использованием технологии, не охлаждаемой криогенно. Наши результаты подтверждают, что условия окружающей среды в действующих телекоммуникационных центрах сопоставимы или даже лучше, чем смоделированные в лабораториях, что способствует дальнейшей коммерциализации и созданию прототипов оборудования для когерентной квантовой связи. Это достижение закладывает основу для будущей практической и высокопроизводительной квантовой связи и сетей».
Эта высокая производительность является еще одной задачей квантовой связи. Традиционные методы, такие как распределение квантовых ключей (QKD), с которым работала команда Питталуга, и другие, такие как хаотическое шифрование, часто жертвуют скоростью или пропускной способностью в угоду безопасности. Однако в исследовании, проведенном исследователями из Шанхайского университета Цзяо Тун, была представлена интегрированная структура шифрования и связи (IEAC), которая сочетает в себе надежную безопасность с высокой пропускной способностью, на основе сквозного глубокого обучения (E2EDL), для достижения рекордной безопасной передачи 1 ТБ в секунду по 1200 километрам оптоволокна, что является вехой в связи по этой инфраструктуре, безопасной и высокой пропускной способности и на большом расстоянии.
«Наша работа устраняет разрыв между безопасностью и производительностью передачи в оптической связи. Благодаря включению шифрования на физическом уровне IEAC прокладывает путь к безопасным и высокопроизводительным сетям, способным поддерживать требования к данным, основанные на искусственном интеллекте», — говорит Лилин И, соавтор исследования и профессор в шанхайском университете.
