На свете появилась первая функционирующая квантовая локальная сеть

Posted by admin on 11 октября, 2021

Группа исследователей из Национальной лаборатории Ок-Ридж, Стэнфордского университета и университета Пурду, разработала структуру и продемонстрировала функционирование новой полностью квантовой локальной сети (Quantum Local Area Network, QLAN). Эта сеть позволяет корректировать ошибки в режиме реального времени и обмениваться информацией между узлами, находящимися в разных местах, при помощи пар запутанных фотонов, циркулирующих по оптоволокну.

Новая квантовая сеть является демонстрацией технологий, при помощи которых в будущем будут соединяться квантовые компьютеры и различные квантовые датчики. Эти же самые технологии, только следующих поколений, могут лечь в основу квантового варианта Интернета.

Отметим, что некоторые квантовые технологии уже используются в современных телекоммуникациях, здесь можно особо выделить, как самую распространенную, технологию квантового распределения ключей шифрования. Но такие технологии только лишь повышают безопасность традиционных технологий передачи данных и они не позволяют перемещать и устанавливать квантовую запутанность между узлами сети.

Напомним нашим читателям, что когда два фотона, частицы света, запутываются на квантовом уровне, они демонстрируют так называемую квантовую корреляцию. Другими словами, изменение состояния одной из частиц приводит к моментальному изменению состояния второй запутанной частицы, невзирая на разделяющее их расстояние, которое может быть сколь угодно большим. Это явление используется в квантовом протоколе, разработанном еще в 2005 году. Тонкие измерения состояния одного из запутанных фотонов моментально приводят к изменению состояния первого и второго фотона, а комбинация условий проведения измерений позволяет практически со 100-процентной вероятностью установить требуемое квантовое стояние пары запутанных фотонов.

Описанный выше протокол стал базой квантовой локальной сети, соединившей пока три узла, расположенные в разных местах кампуса лаборатории Ок-Ридж, а для передачи запутанных фотонов света использовались элементы существующей волоконно-оптической инфраструктуры. К сожалению, существующие оптические усилители, маршрутизаторы и другие коммуникационные устройства несовместимы с технологиями передачи квантовой информации, так как их вмешательство тут же разрушает хрупкое явление квантовой запутанности. Поэтому исследователям пришлось создать квантовые аналоги таких устройств и устройств, обеспечивающих сопряжение квантовой сети и традиционной локальной сети.

Помимо этого, квантовая сеть нуждается в крайне точной синхронизации всех узлов, так как каждому из этих узлов выделяется для работы строго определенный промежуток времени. Для синхронизации исследователи использовали сигналы системы GPS, в которых содержатся метки времени, генерируемые атомными часами, что позволило обеспечить синхронизацию с точностью до нескольких наносекунд и гарантировать то, что такой уровень синхронизации будет сохраняться в течение всей продолжительности работы квантовой локальной сети.

Проведенные испытания показали, что квантовая локальная сеть вполне способна обеспечить высокую пропускную способность при крайне низком уровне ошибок. При этом, в случае отключения GPS-синхронизации качество работы сети снижалась до неприемлемых величин.

А в ближайшем будущем исследователи планируют использовать более совершенные методы синхронизации, что позволит им сократить количество возникающих в сети случайных значений (шума) и повысить качество ее работы. Так же в существующую сеть будут добавлены новые узлы и специально разработанные устройства-маршрутизаторы, которые превратят всю сеть во множество взаимосвязанных квантовых сетей меньшего масштаба, что уже само по себе является первым прототипом будущего квантового Интернета.