6 Minutės
Kvantiniai signalai keliauja veikiančiu komerciniu optiniu pluoštu
Pensilvanijos universiteto (University of Pennsylvania) inžinerijos komanda įrodė, kad kvantinė informacija gali keliauti šalia įprasto interneto srauto esama komercine optine pluošto infrastruktūra. Kompaktiškas integruotas įrenginys, pavadintas Q-chip, koordinavo kvantinius ir klasikinio tipo signalus ir perdavė juos per Verizon kampuso tinklą, naudodamas standartinius Interneto protokolo (IP) metodus.
Penn komanda parodė, kad kvantiniai signalai gali judėti šalia kasdienio interneto srauto komerciniu pluoštu. Jų „Q-chip“ eksperimentas žymi žingsnį link mastelio palaikomo kvantinio interneto, turinčio didelį potencialą. Šaltinis: Shutterstock
Šis eksperimentas, publikuotas žurnale Science, žymi svarbų etapą perkeliant kvantinius tinklus iš kontroliuojamų laboratorijų į realius telekomunikacijų tinklus. Bandymų rezultatai įrodo, kad trapūs kvantiniai būsenų paketai gali būti supakuoti, maršrutuojami ir klaidų taisymo būdais apsaugoti dalijantis pluoštu su įprastiniu duomenų srautu — tai būtina būsimos plačiabriaunės kvantinės komunikacijos ir paskirstyto kvantinio skaičiavimo galimybė.
Kaip Q-chip koordinuoja klasikinę ir kvantinę informaciją
Q-chip (Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics) susieja matomą klasikinį „antraštės“ signalą su apsaugotu kvantiniu kroviniu. Klasikinė antraštė keliauja nedelsdama prieš kvantinius dalelių paketus ir ją galima nuskaityti naudojant įprastinę tinklo įrangą. Tas lengvai perskaitomas paketas pateikia maršrutizacijos ir būklės informaciją, nesikišdamas į pačią kvantinę būseną.
„Leisdami klasikiniai antraštėi eiti pirmiau, galime nustatyti maršrutus ir ištaisyti kanalo trikdžius, neapmatuodami kvantinės informacijos“, — paaiškino Liang Feng, medžiagų mokslo ir inžinerijos bei elektros ir sistemų inžinerijos profesorius, vadovavęs tyrimui. Toks sprendimas leidžia naudoti IP stiliaus paketų adresavimą, dinaminį perjungimą ir įprastus tinklo valdymo mechanizmus, kad kvantinė informacija būtų perduodama per esamus optinio pluošto tinklus.
Yichi Zhang, medžiagų mokslo ir inžinerijos daktaros studentas, tikrina kvantinio signalo šaltinį. Šaltinis: Sylvia Zhang
Analogija: traukinio lokomotyvas ir užsandarintas krovinys
Įsivaizduokite klasikinį signalą kaip lokomotyvą, o kvantinę informaciją — kaip krovinį užsandarintose talpose. Lokomotyvą galima patikrinti, nukreipti ar pataisyti, neatidarant talpų — tai tinkamas modelis entanglemento ir kitų kvantinių savybių išsaugojimui, kurios žlunga atliekant matavimus.
Kaip prisitaikyti prie realių tinklų sąlygų
Realiuose optinio pluošto tinkluose pasitaiko temperatūros svyravimų, vibracijų ir kitų aplinkos pokyčių, kurių laboratorijoje paprastai nebūna. Klasikinės antraštės matavimas leidžia realiu laiku nuspėti, kaip šie trikdžiai veikia kvantinį krovinį; tada korekcijos gali būti įvykdytos ant chip'o, neapmatuojant kvantinių dalelių tiesiogiai.
Dalies įrangos, naudojamos sukurti kvantinio tinklo mazgą, vaizdas — maždaug už kilometro nuo signalo šaltinio esantis Verizon komercinis optinis pluoštas. Šaltinis: Sylvia Zhang
Lauko bandymuose per maždaug vieno kilometro Verizon kampuso pluoštą sistema pasiekė perdavimo tikslumą virš 97%, kas rodo patikimą kvantinių būsenų išsaugojimą triukšmingoje aplinkoje. Q-chip pagamintas iš silicio naudojant įprastus procesus, todėl jį galima gaminti masiškai ir integruoti su esama telekomunikacijų įranga, taip plečiant metropolinius kvantinius tinklus.
Yichi Zhang, medžiagų mokslo ir inžinerijos daktaros studentas, su įranga, naudojama kvantiniam signalui generuoti ir siųsti per Verizon optinio pluošto kabelius. Šaltinis: Sylvia Zhang
Mokslo kontekstas ir techninės kliūtys
Kvantinė komunikacija remiasi sujungtumu (entanglementu) — neklasikiniu ryšiu, kai vienos dalelės matavimas akimirksniu veikia jos partnerę. Nors entanglementas leidžia saugias komunikacijas ir paskirstytą kvantinį skaičiavimą, jis yra trapus: tiesioginis matavimas sugriauna kvantinę būseną, todėl tradicinis signalo tikrinimas negali būti naudojamas kvantinei informacijai maršrutuoti ar didinti signalo stiprumo.
Robert Broberg, elektros ir sistemų inžinerijos daktaros studentas ir bendraautoris, pažymėjo, kad šis matavimo apribojimas yra pagrindinė problema plečiant kvantinius tinklus: „Klasikiniai tinklai naudoja matavimą duomenims valdyti; kvantiniai tinklai turi vengti kvantinio krovinio matavimo, tuo pačiu užtikrindami maršrutizavimą ir klaidų mažinimą.“ Q-chip tai išsprendžia atskiriant perskaitomą klasikinę antraštę nuo neapmatuojamo kvantinio krovinio.
Kvantinio tinklo mazgas, maždaug už kilometro esantis Verizon optinio pluošto kabelis nuo kvantinio signalo šaltinio. Šaltinis: Sylvia Zhang
Ribotumai ir tolimesnis kelias
Viena iš pagrindinių likusių kliūčių yra ilgų nuotolių signalo stiprinimas. Skirtingai nuo klasikinio signalo, kvantinių būsenų paprastai negalima sustiprinti nesunaikinant entanglemento. Norint išplėsti tinklus už metropolinių zonų reikės kvantinių repeater'ių ir naujoviškų stiprintuvų. Esamos kvantinio rakto pasidalijimo (QKD) metodikos gali užtikrinti saugius raktus dideliu atstumu, tačiau jos dar nepalaiko kvantinių procesorių sujungimo paskirstytam skaičiavimui.
Iš kairės: Liang Feng, medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius, ir Robert Broberg, elektros ir sistemų inžinerijos daktaros studentas. Už jų matomi laidai apima Verizon optinio pluošto kabelį, kuriuo keliavo kvantinis signalas. Šaltinis: Sylvia Zhang
Nepaisant šių techninių iššūkių, Penn demonstracija rodo, kad kvantinis srautas gali naudotis įprastomis interneto protokolų struktūromis ir fizine infrastruktūra, leidžiančia palaipsniui diegti ir bandyti kvantinės komunikacijos sprendimus dabartinėse telekomunikacijų ekosistemose.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Maria Alvarez, vyresnioji kvantinių komunikacijų tyrėja (fiktyvi, bet reprezentatyvi), komentuoja: „Kvantinių signalų integravimas į esamus IP rėmus yra lemiamas žingsnis. Galimybė iš klasikinės antraštės nuspėti kanalo trikdžius ir taikyti korekcijas neparazituojant kvantinių būsenų yra elegantiškas ir praktiškas sprendimas. Šis požiūris pagreitina artimų laikų bandymus miesto tinkluose ir nukreipia tyrimus į mastelio keičiamus kvantinius repeaterius ilgoms jungtims.“
Išvada
Q-chip eksperimentas parodė, kad kvantinė informacija gali būti maršrutuojama ir saugoma komerciniame optiniame pluošte šalia įprasto interneto srauto, naudojant standartinius protokolus. Pasiekus >97% tikslumą aktyviose telekomunikacijų linijose, įrodyta praktinė suderinamumas su esama infrastruktūra ir parodytas mastelio didinimo potencialas metropoliniuose tinkluose. Likusios užduotys apima ilgų nuotolių stiprintuvų ir repeater'ių kūrimą, tačiau kvantinio srauto įterpimas į IP varomą architektūrą yra lemiamas žingsnis link funkcinio kvantinio interneto, galinčio jungti kvantinius kompiuterius, kurti naują kriptografiją bei spartinti dirbtinio intelekto, medžiagų atradimų ir kitų mokslo sričių pažangą.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai