Инженеры впервые передали квантовые сигналы по стандартному Интернет-протоколу

Инженеры Пенсильванского университета сделали прорыв в области квантовых технологий: они впервые вывели квантовую сеть за пределы лаборатории и протестировали её на коммерческих волоконно-оптических кабелях с использованием стандартного Интернет-протокола (IP) — того самого, что лежит в основе современной сети. Результаты работы опубликованы в журнале Science. Эксперимент прошёл на кампусе Verizon и показал, что даже хрупкие квантовые сигналы могут передаваться по инфраструктуре, где обычно «ходят» миллионы пакетов повседневного интернет-трафика.

Ключевую роль сыграл миниатюрный «Q-chip», способный объединять квантовые и классические данные и «разговаривать» на языке современной сети. Учёные считают, что это важный шаг к созданию будущего «квантового интернета», который может стать столь же трансформационным, как когда-то появление Всемирной паутины.

Почему квантовые сети — это сложно

Квантовые сигналы основаны на феномене спутанности частиц: изменение состояния одной мгновенно отражается на другой, даже если они разделены расстоянием. Это свойство может позволить квантовым компьютерам объединяться и работать вместе, открывая путь к более эффективному искусственному интеллекту, а также к созданию новых лекарств и материалов.

Однако главная проблема в том, что любое измерение квантовой частицы разрушает её уникальное состояние. Поэтому в классических сетях данные можно считывать и направлять к месту назначения, а в квантовых — это разрушает сам сигнал. Именно эта особенность десятилетиями тормозила масштабирование квантовых сетей.

Решение: «Q-Chip»

Чтобы обойти это ограничение, команда Penn разработала Q-chip (Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics). Его принцип работы можно сравнить с железной дорогой: Классический сигнал играет роль «локомотива», Квантовая информация движется за ним в «запечатанных контейнерах». Локомотив можно измерять и направлять, а контейнеры остаются неприкосновенными, сохраняя квантовое состояние.

Таким образом, сеть может использовать тот же IP-протокол, что и обычный интернет. «Встраивая квантовую информацию в привычный IP-фреймворк, мы показали, что квантовый интернет буквально может говорить на том же языке, что и классический», — поясняет автор работы, аспирант Ичи Чжан.

Борьба с шумом и реальными условиями

Коммерческие сети далеки от идеальных лабораторных условий: они подвержены изменениям температуры, вибрациям от транспорта и строительства, а также сейсмическим колебаниям. Эти факторы обычно быстро уничтожают квантовый сигнал. Чтобы решить проблему, исследователи использовали метод коррекции ошибок. Поскольку и классический, и квантовый сигналы испытывают схожие помехи, достаточно измерить классический «заголовок» и по нему восстановить квантовую часть — не разрушая её. В ходе испытаний система обеспечивала точность передачи свыше 97%, что стало убедительным доказательством работоспособности подхода. Кроме того, чип выполнен на кремниевой основе и может изготавливаться массово, что упрощает масштабирование.

Тест и перспективы

Пока сеть включала лишь один сервер и один узел, соединённые километром оптоволокна Verizon. Но, по словам профессора Лян Фэна, старшего автора статьи, для расширения достаточно «напечатать» новые чипы и подключить их к существующим линиям связи Филадельфии. Главное препятствие для глобального квантового интернета — невозможность пока что усиливать квантовые сигналы на большие расстояния без разрушения спутанности.

Современные разработки в области «квантовых ключей» дают хорошую защиту данных, но пока не способны соединять полноценные квантовые процессоры. Тем не менее, исследователи сравнивают нынешний этап с началом классического интернета в 1990-е, когда университетские сети впервые начали объединяться. Это стало основой для будущего технологического взрыва.

Итог

Работа Пенсильванского университета показывает: квантовый интернет может использовать ту же инфраструктуру и те же протоколы, что и привычный Интернет. Эксперимент на реальной сети Verizon доказал, что квантовые сигналы можно упаковывать в IP-пакеты, корректировать ошибки и маршрутизировать так же, как обычный трафик. Сегодня это всего лишь соединение двух зданий на кампусе. Но завтра — это может стать началом новой эры глобальной связи, где объединённые квантовые компьютеры решат задачи, неподвластные современным суперкомпьютерам.

• Учёные создали самые точные атомные часы в мире
• Учёные предложили превращать пластиковые отходы в бензин и дизельное топливо
• ИИ и смешанную реальность впервые объединили при установке зубного импланта
• Капли воды могут повреждать краску микроскопическими электрическими разрядами
• Умные часы завышают расход калорий: учёные проверили четыре популярные модели
• Учёные обнаружили, что сверхтонкие алмазные мембраны способны вырабатывать электричество
• Учёные разработали жевательную резинку, которая может снижать уровень HPV и опасных бактерий во рту
• Ученые расплавили алмаз при давлении выше, чем в недрах Нептуна