Квантовый интернет и кот Шрёдингера

Квантовый интернет работает на основе свойств наименьшего кванта электромагнитных полей – фотона, который перемещается по оптоволоконным кабелям, передавая информацию через закодированные ключи.

Хранятся данные в квантовых битах – кубитах. В отличие от битов, они могут находиться в состоянии «0» и «1» одновременно. Именно это и является главным преимуществом перед обычным интернетом. Так называемая «суперпозиция» позволяет просчитывать в тысячи раз большее количество решений за короткий промежуток времени.

Предполагается, что квантовый интернет обеспечит более быструю и безопасную передачу данных. Также появятся новые приложения, которые смогут решить те задачи, с которыми не могли справиться приложения, работающие через обычный интернет. Вероятнее всего квантовый интернет первое время будет работать параллельно с обычным, но спустя время он вытеснит его окончательно и станет единственной интернет-технологией в мире.

Основные акценты квантового интернета: безопасная связь, расширение базы телескопов, безопасная идентификация, улучшение GPS, экспоненциальная экономия средств связи, сети квантовых датчиков, а также безопасный доступ к удаленным квантовым компьютерам в облаке.

Подключаясь удаленно к квантовому компьютеру, он не узнает о том, какая операция на нем проводилась. Это возможно благодаря квантовой запутанности. Если два кубита в разных узлах сети запутаны друг с другом, то такая запутанность обеспечивает более сильную корреляцию и координацию.

Запутанностью нельзя поделиться, если в цепочке присутствует два запутанных кубита, то третий не сможет быть с ними взаимодействовать. Это обеспечивает конфиденциальность данных.

Информация, передаваемая через квантовые каналы, генерируется, обрабатывается и сохраняется локально в квантовых узлах. Эти узлы связаны квантовыми каналами, которые передают квантовые состояния от сайта к сайту с высокой точностью и распределяют запутанность по всей сети.

Для работы квантового интернета необходим квантовый канал, который будет передавать кубиты. Подойдет и обычное оптоволокно.

Для достижения больших расстояний необходимы промежуточные узлы – квантовые повторители. Они устанавливаются на определенном расстоянии друг от друга вдоль оптоволоконного соединения. Теоретически это позволит передавать кубиты на любое расстояние.

Квантовые процессоры, подключенные к квантовому интернету – последний элемент конечных узлов. Они могут быть как крупномасштабными, так и очень простыми квантовыми компьютерами, которые будут измерять отдельные кубиты. Также они могут играть роль квантового повторителя.

Квантовый повторитель работает, создавая запутанность между повторителем и каждым конечным узлом по отдельности. Он телепортирует один из кубитов, запутанных с первым узлом, на второй узел. Замена запутанности позволяет создавать запутанность на расстояниях, на которых прямая передача невозможна. После этого кубит с данными может быть отправлен с помощью квантовой телепортации.

Для работы квантового интернета необходимы наличие специальных квантовых устройств, которые смогут между собой обмениваться кубитами. Но для этого необязательно иметь супер мощное устройство. Для работы с большинством приложений, достаточно квантового компьютера с одним кубитом.

Разобраться с ошибками в квантовых интернет-протоколах можно используя классическую корреляцию ошибок, а не квантовую.

Квантовый интернет работает на основе принципов квантовой физики. Чтобы осуществлять передачу данных используются: квантовая запутанность, суперпозиция и отсутствие клонирования.

Запутанность делает 2 кубита неразрывно связанными. Вне зависимости от расстояния, на котором они находятся, они являются зеркальным отражением друг друга. И если один кубит переключается на позицию «1», то и коррелированный кубит тоже перейдет в эту позицию.

Благодаря свойствам запутанности возможна безопасная передача данных квантовой информации, так называемой телепортации. И речь идет о перемещении информации, конечно же не о физическом перемещении объектов.

Кубиты невозможно скопировать и это плюс в пользу безопасности квантового интернета. Любая попытка сделать это будет обнаружена. Но также эта особенность приносит и проблемы.

Данные на дальних расстояниях нельзя ни усилить, ни повторить. Для этой задачи необходимо разрабатывать специальные квантовые повторители.

Состояние, при котором кубит находится одновременно в позиции «1» и «0», называют суперпозицией. Это означает, что одно состояние накладывается на другое и находится сразу в нескольких состояниях и существует в двух местах. В отличие от традиционного компьютера, который находится всегда в состоянии либо «1» либо «0». 

Кот Шредингера – эксперимент в квантовой механике, который проводился в теоретическом формате (ни один кот не пострадал). Эрвин Шрёдингер пытался определить физический смысл квантовой волны. В ходе эксперимента кот условно помещен в закрывающуюся коробку. Если атом распадется – кот умрет, если нет – останется жив. И до тех пор, пока коробка не открыта кот находится в состоянии суперпозиции – одновременно и жив, и мертв.

Этот алгоритм сыграл важную роль в развитии квантового интернета. Он уменьшает потери при обработке квантовой информации.

Инженеры Калифорнийского технологического института опубликовали статью с открытием, которое, по их мнению, поможет масштабированию квантового интернета. Они определили, что объединение атомов в цепочку может создать квантовое хранилище.

Новая система основана на ядерных спинах – угловом моменте ядра атома – коллективно колеблющихся в виде спиновой волны. Это коллективное колебание эффективно связывает несколько атомов для хранения информации. Особенностью системы является предопределенное расположение атомов ванадия вокруг иттербиевого кубита в соответствии с кристаллической решеткой. Каждый кубит, который измеряла команда, имел одинаковый регистр памяти, а это означает, что он будет хранить одну и ту же информацию.

Скорее всего, квантовый интернет будет существовать рядом с классическим интернетом. Он будет использоваться в более узких кругах, нуждающихся в решении особых задач, с которыми не способен справиться классический интернет, обычные и суперкомпьютеры.

Развитие активно продолжается, многие страны готовы вкладывать в технологию большие деньги. И каждая пытается внести в развитие что-то свое.

Многие работают над созданием запутанности, используя разные подходы. Китай выбирает спутниковую технологию, США отдает предпочтение оптическому волокну и работает над сетью квантовых повторителей. США удалось добиться запутанности кубитов по оптическому волокну на расстоянии в 83 км в пригороде Чикаго.

Цель квантовых исследований в том, чтобы масштабировать сети сначала до национального, а затем и до международного уровня.