„Kvantinis internetas“ priartėjo dėl duomenų teleportavimo pažangos

  „Mokslininkai pagerino savo gebėjimą siųsti kvantinę informaciją per tolimus kompiuterius ir žengė dar vieną žingsnį ateities tinklo link.

 

    Nuo Santa Barbaros (Kalifornija) iki Hefėjaus (Kinija) mokslininkai kuria naujo tipo kompiuterius, dėl kurių šiandieninės mašinos atrodys, kaip žaislai.

 

    Išnaudodama paslaptingas kvantinės mechanikos galias, technologija per kelias minutes atliks užduotis, kurių net superkompiuteriai negalėtų atlikti per tūkstančius metų. 2019 m. rudenį „Google“ pristatė eksperimentinį kvantinį kompiuterį, įrodantį, kad tai įmanoma. Po dvejų metų laboratorija Kinijoje padarė tą patį.

 

    Tačiau kvantinis skaičiavimas nepasieks savo potencialo be kito technologinio proveržio pagalbos. Pavadinkite tai „kvantiniu internetu“ – kompiuterių tinklu, galinčiu siųsti kvantinę informaciją tarp tolimų mašinų.

 

    Delfto technologijos universitete Nyderlanduose fizikų komanda žengė reikšmingą žingsnį šio ateities kompiuterių tinklo link, naudodama techniką, vadinamą kvantine teleportacija, siųsdama duomenis per tris fizines vietas. Anksčiau tai buvo įmanoma tik su dviem.

 

    Naujasis eksperimentas rodo, kad mokslininkai gali išplėsti kvantinį tinklą vis daugiau vietų. „Dabar laboratorijoje kuriame mažus kvantinius tinklus“, – sakė komandą prižiūrintis Delfto fizikas Ronaldas Hansonas. "Tačiau idėja yra galiausiai sukurti kvantinį internetą."

 

    Jų tyrimas, šią savaitę pristatytas mokslo žurnale „Nature“ paskelbtu straipsniu, parodo reiškinio, kurį Albertas Einšteinas kadaise laikė neįmanomu, galią. Kvantinė teleportacija – tai, ką jis pavadino „baisiu veiksmu per atstumą“ – gali perduoti informaciją iš vienos vietos į kitą, iš tikrųjų nejudinant ją laikančios fizinės medžiagos.

 

    Ši technologija gali iš esmės pakeisti duomenų judėjimą iš vienos vietos į kitą. Jis remiasi daugiau, nei šimtmetį trukusiais tyrimais, susijusiais su kvantine mechanika – fizikos sritimi, kuri valdo subatominę sferą ir elgiasi nepanašiai į tai, ką patiriame kasdieniame gyvenime. Kvantinė teleportacija ne tik perkelia duomenis tarp kvantinių kompiuterių, bet ir daro tai taip, kad niekas negali jų perimti.

 

    „Tai ne tik reiškia, kad kvantinis kompiuteris gali išspręsti jūsų problemą, bet ir tai, kad jis nežino, kokia yra problema“, – sakė Insbruko universiteto Eksperimentinės fizikos instituto mokslininkė Tracy Eleanor Northup, kuri taip pat tiria kvantinę teleportaciją. „Šiandien taip neveikia. „Google“ žino, ką naudojate jos serveriuose.

 

    Kvantinis kompiuteris atkreipia dėmesį į keistus kai kurių objektų elgesio būdus, jei jie yra labai maži (kaip elektronas ar šviesos dalelė) arba labai šalti (kaip egzotiškas metalas, atšaldytas iki beveik absoliutaus nulio arba minus 460 laipsnių pagal Farenheitą). Tokiose situacijose vienas objektas vienu metu gali veikti kaip du atskiri objektai.

 

    Tradiciniai kompiuteriai atlieka skaičiavimus, apdorodami informacijos „bitus“, kurių kiekviename bite yra 1 arba 0. Pasitelkę keistą kvantinės mechanikos elgesį, kvantinis bitas arba kubitas gali saugoti 1 ir 0 derinį – šiek tiek kaip besisukančioje monetoje yra viliojanti galimybė, kad galiausiai nukritusi ant stalo ji atsivers arba galva, arba uodega į viršų.

 

    Tai reiškia, kad dviejuose kubituose vienu metu gali būti keturios reikšmės, trijuose kubituose – aštuonios, keturiuose – 16 ir pan. Didėjant kubitų skaičiui, kvantinis kompiuteris tampa eksponentiškai galingesnis.

 

    Tyrėjai mano, kad šie įrenginiai vieną dieną galėtų pagreitinti naujų vaistų kūrimą, dirbtinio intelekto pažangą ir greitai nulaužti šifravimą, kuris apsaugo nacionaliniam saugumui svarbius kompiuterius. Visame pasaulyje vyriausybės, akademinės laboratorijos, startuoliai ir technologijų gigantai išleidžia milijardus dolerių šių technologijų tyrinėjimui.

 

    2019 m. „Google“ paskelbė, kad jos mašina pasiekė tai, ką mokslininkai vadina „kvantine viršenybe“, o tai reiškia, kad ji gali atlikti eksperimentinę užduotį, kurios neįmanoma atlikti, naudojant tradicinius kompiuterius. Tačiau dauguma ekspertų mano, kad praeis dar keli metai, kol kvantinis kompiuteris iš tikrųjų galės padaryti ką nors naudingo, ko negalite padaryti su kita mašina.

 

    Dalis iššūkio yra tai, kad kubitas sugenda arba „išsijungia“, jei iš jo perskaitysite informaciją – jis tampa įprastu bitu, galinčiu laikyti tik 0 arba 1, bet ne abu. Tačiau sujungę daug kubitų ir kurdami būdus, kaip apsisaugoti nuo dekoherencijos, mokslininkai tikisi sukurti galingas ir praktiškas kompiuterius.

 

    Galų gale, idealiu atveju, jie būtų sujungti į tinklus, kurie galėtų siųsti informaciją tarp mazgų, kad juos būtų galima naudoti iš bet kurios vietos, kaip ir debesų kompiuterijos paslaugos, kurias teikia, pavyzdžiui, Google ir Amazon, apdorojimo galia šiandien yra plačiai prieinama.

 

    Tačiau tai ateina su savo problemomis. Iš dalies dėl dekoherencijos, kvantinės informacijos negalima tiesiog nukopijuoti ir išsiųsti tradiciniu tinklu. Kvantinė teleportacija suteikia alternatyvą.

 

    Nors ji negali perkelti objektų iš vienos vietos į kitą, ji gali perkelti informaciją, pasinaudodama kvantine savybe, vadinama „susipynimu“: vienos kvantinės sistemos būsenos pasikeitimas akimirksniu paveikia kitos, tolimos, būseną.

 

    „Po įsipainiojimo nebegalite apibūdinti šių būsenų atskirai“, – sakė daktaras Northupas. „Iš esmės dabar tai yra viena sistema.

 

    Šios susipynusios sistemos gali būti elektronai, šviesos dalelės ar kiti objektai. Nyderlanduose daktaras Hansonas ir jo komanda panaudojo vadinamąjį azoto laisvų vietų centrą – mažytę tuščią erdvę sintetiniame deimante, kurioje gali būti įstrigę elektronai.

 

    Komanda sukūrė tris iš šių kvantinių sistemų, pavadintų Alice, Bob ir Charlie, ir sujungė jas į liniją su optinio pluošto sruogomis. Tada mokslininkai galėtų supainioti šias sistemas, siųsdami tarp jų atskirus fotonus - šviesos daleles.

 

    Pirmiausia tyrėjai supainiojo du elektronus – vieną priklausė Alice, kitą – Bobui. Tiesą sakant, elektronams buvo suteiktas toks pat sukimasis, todėl jie buvo sujungti arba įsipainioję į bendrą kvantinę būseną, kiekviename išsaugant tą pačią informaciją: tam tikrą 1 ir 0 derinį.

 

    Tada mokslininkai galėtų perkelti šią kvantinę būseną į kitą kubitą, anglies branduolį, esantį Bobo sintetiniame deimante. Tai atlaisvino Bobo elektroną, o mokslininkai galėjo supainioti jį su kitu Čarliui priklausančiu elektronu.

 

    Atlikdami konkrečią kvantinę operaciją su abiem Bobo kubitais – elektronu ir anglies branduoliu – mokslininkai galėjo suklijuoti du susipynimus: Alisa ir Bobas priklijuotas prie Bobo ir Čarlio.

 

    Rezultatas: Alisa buvo įsipainiojusi su Čarliu, o tai leido duomenims teleportuotis per visus tris mazgus.

 

    Kai duomenys keliauja tokiu būdu, iš tikrųjų nenukeliaudami atstumo tarp mazgų, jie negali būti prarasti. „Informacija gali būti įvedama į vieną ryšio pusę, o paskui – kitoje“, – sakė daktaras Hansonas.

 

    Informacija taip pat negali būti perimta. Ateities kvantinis internetas, maitinamas kvantinės teleportacijos, galėtų suteikti naujo tipo šifravimą, kuris teoriškai yra nepalaužiamas.

 

    Naujajame eksperimente tinklo mazgai nebuvo taip toli vienas nuo kito – tik apie 60 pėdų. Tačiau ankstesni eksperimentai parodė, kad kvantinės sistemos gali būti įsipainiojusios didesniais atstumais.

 

    Tikimasi, kad po dar kelerių metų tyrimų kvantinė teleportacija bus gyvybinga daugelyje mylių. „Dabar bandome tai padaryti už laboratorijos ribų“, – sakė daktaras Hansonas.