Каким будет Интернет следующего поколения?

Разработать технологию для устройства, которое пока еще не было изобретено, непросто, но квантовая связь - привлекательная область исследований, потому что эта технология позволит нам отправлять сообщения намного безопаснее. Существует несколько проблем, которые необходимо решить, чтобы стало возможным существование квантового Интернета:

Нужно добиться возможности общения квантовых компьютеров друг с другом
Необходимо обеспечить безопасность общения от взлома
Передача сообщений на большие расстояния должна осуществляться без потери частей сообщения; а также
Должна быть обеспечена маршрутизация сообщений через квантовую сеть

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер - это машина, способная с невероятной скоростью решать очень сложные вычислительные задачи за пределами возможностей сегодняшних «классических» компьютеров.

В обычных компьютерах единица информации называется «бит» и может иметь значение 1 или 0. А ее эквивалент в квантовой системе - кубит (квантовый бит) - может быть как 1, так и 0 одновременно. Этот феномен дает возможность одновременно выполнять несколько вычислений. Тем не менее, кубиты должны быть синхронизированы с использованием квантового эффекта, известного как запутывание, которое Альберт Эйнштейн назвал «жутким процессом, воздействующим на нас с огромного расстояния».

В настоящее время разрабатываются четыре типа квантовых компьютеров, которые используют:

Легкие частицы
Захваченные ионы
Сверхпроводящие кубиты
Центры азото-замещённых вакансий в алмазах

Квантовые компьютеры позволят использовать множество полезных приложений, таких как возможность моделирования многих вариаций химической реакции для обнаружения новых лекарств; разработку новых технологий обработки изображений для здравоохранения для лучшего выявления проблем в организме; они могут быть использованы для ускорения разработки аккумуляторных батарей, новых материалов и электронику, более подходящую запросам пользователя.

Объединение вычислительной мощности

Квантовые компьютеры могут быть более мощными, чем классические компьютеры, но для некоторых приложений потребуется больше вычислительной мощности, чем может создать один квантовый компьютер.

Если появится возможность заставить квантовые устройства разговаривать друг с другом, тогда можно будет объединить несколько квантовых компьютеров вместе и суммировать их мощность, чтобы сформировать один огромный квантовый компьютер.

Однако, поскольку сегодня создаются четыре разных типа квантовых компьютеров, все они не смогут разговаривать друг с другом без какой-либо дополнительной помощи.

Некоторые ученые предпочитают квантовый интернет, основанный исключительно на легких частицах (фотонах), в то время как другие полагают, что было бы легче создавать квантовые сети, в которых свет взаимодействует с веществом.

«Свет лучше для коммуникаций, но материальные кубиты лучше поддаются обработке», рассказывает Би-би-си Джозеф Фитцсимонс, главный исследователь Национального университета сингапурского центра по квантовым технологиям. «А чтобы заставить сеть работать, нужно и то и другое, чтобы добиваться исправления ошибок сигнала, но может оказаться слишком сложно заставить их взаимодействовать между собой».

Г-н Фитцсимонс говорит, что хранить всю информацию в фотонах очень дорого и сложно, потому что фотоны не могут видеть друг друга и проходить просто мимо друг друга, а не отскакивать друг от друга. Вместо этого он считает, что легче использовать свет для коммуникаций, в то же время сохраняя информацию с помощью электронов или атомов (в материи).

Квантовое шифрование

Квантовое шифрование сделает связь намного более безопасной. Одним из ключевых применений квантового Интернета будет квантовое распределение ключей (QKD), посредством чего секретный ключ генерируется с помощью пары запутанных фотонов и затем используется для шифрования информации способом, который не может быть взломан квантовым компьютером.

Эта технология уже существует и была впервые продемонстрирована в космосе командой исследователей из Национального университета Сингапура и Университета Стратклайда из Великобритании в декабре 2015 года.

Но чтобы обезопасить информацию в квантовом будущем, нужно будет создать не просто шифрование.

Ученые также работают над «слепыми протоколами квантовых компьютеров», поскольку они позволяют пользователю спрятать все, что он захочет на компьютере.

«Вы можете что-то написать и отправить на удаленный компьютер, и тот, кто владеет компьютером, ничего не сможет узнать об этом, за исключением того, сколько времени потребовалось для запуска  данного послания и сколько памяти было использовано», говорит г-н Фитцсимонс «Это важно, потому что, на момент появления квантовых компьютеров, вероятно, их будет немного, поэтому люди захотят удаленно запускать на них программы так, как мы это делаем сегодня на облаке».

Существует два разных подхода к построению квантовых сетей - наземная сеть и космическая сеть.

Оба метода хорошо работают для отправки обычных битов данных через Интернет сегодня, но если мы захотим отправить данные в виде кубитов в будущем, это будет намного сложнее.

Чтобы отправить частицы света (фотоны), мы можем использовать волоконно-оптические кабели уже сегодня лежащие в земле. Однако световой сигнал ухудшается при распространении на большие расстояния (явление, известное как «декогеренция»), поскольку волоконно-оптические кабели могут иногда поглощать фотоны. Это можно обойти, построив «станции-повторители» каждые 50 км. Это, по сути, миниатюрные квантовые лаборатории, которые попытаются восстановить сигнал перед отправкой его на следующий узел в сети. Но эта система будет иметь свои сложности.

Земля или космос?

Другой вариант - космические сети. Скажем, вы хотите отправить сообщение из Великобритании другу в Австралию. Световой сигнал излучается наземной станцией в Великобритании до спутника с установленным на нем источником света. Спутник посылает световой сигнал на другой спутник, который затем передает сигнал вниз на наземную станцию ​​в Австралии, а затем сообщение может передаваться по наземной квантовой сети или по классической интернет-сети получателю.

«Поскольку между спутниками нет воздуха, нет и ничего, чтобы могло ухудшить сигнал», говорит д-р Джейми Викари, старший научный сотрудник отдела информатики Оксфордского университета и член центра квантовых информационных технологий для сетей(NQIT). Если мы хотим иметь действительно глобальный квантовый интернет, похоже, что космическое решение - единственный способ, который будет работать, но он самый дорогой».

Квантовая телепортация сигнала через космос была успешно проведена, и ученые в настоящее время пытаются продемонстрировать ее на все более и более длинные расстояния.

Эксперимент ученых из Китайской академии наук попал в заголовки СМИ в июне, когда им удалось телепортировать запутанные фотоны между двумя городами в Китае, расположенными на расстоянии 1200 км друг от друга. Они использовали специально разработанный квантовый спутник под названием Миксиус.

Эти же китайские ученые недавно 29 сентября побили свой собственный рекорд , продемонстрировав первый в мире межконтинентальный видеозвонок, защищенный квантовым ключом с исследователями из Австрийской академии наук на расстоянии 7 700 км.

Звонок длился 20 минут, и стороны смогли обменяться зашифрованными снимками спутника Micius и фотографией австрийского физика Эрвина Шредингера.

Руперт Урсин, старший руководитель группы сотрудников Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук, считает, что для квантового Интернета потребуются наземные и космические сети, работающие параллельно.

«В городах нам нужна оптоволоконная сеть, но связи на длинных дистанциях будут покрываться спутниковыми возможностями», объясняет он.

Как работает квантовое распределение ключей?

Чтобы понять, как работает QKD, вернемся к видеоразговору между австрийскими и китайскими учеными. Спутник Micius использовал свой источник света для установления оптических связей с наземными станциями в Австрии и наземными станциями в Китае.

Затем он смог сгенерировать квантовый ключ.

Самое замечательное в квантовом шифровании - вы всегда можете определить, пытался ли кто-то перехватить сообщение до его получения, и сколько людей пытались получить к нему доступ.

Мичиус сообщил, что шифрование было безопасным, и никто не подслушивал видеоразговор. Затем он дал добро шифровать данные с помощью секретного ключа и передавать его по общедоступному интернет-каналу.

Маршрутизация сообщений

Несколько групп ученых создают наземные сети, работая над технологиями для квантовых станций повторителей, которые будут расположены каждые 50 км и соединены между собой оптоволоконными кабелями.

Эти станции-повторители, также известные как «узлы квантовой сети», должны будут выполнять несколько действий по маршрутизации или направлению сообщений по сети.

Во-первых, каждый узел должен восстановить и увеличить сигнал, который был поврежден на предыдущем 50-километровом участке сети.

Представьте, что вы используете старый факс аппарат для отправки документа величиной в одну страницу кому-то еще, и каждый раз, когда вы отправляете страницу, предыдущая часть сообщения отсутствует, а другая сторона должна собрать все сообщение вместе со всех частичных попыток.

Это похоже на то, как одно сообщение, возможно, будет отправляться между различными узлами в квантовой сети.

В сети будет много людей, которые будут пытаться поговорить друг с другом. Таким образом, узел или станция повторителя также должны будут выяснить, как распределить доступную вычислительную мощность, чтобы собрать все отправленные сообщения. Узел также должен будет отправлять сообщения между квантовым Интернетом и классическим Интернетом.

Университет Делфта строит квантовую сеть, используя азото-замещённые вакансии в алмазах, и на сегодняшний день демонстрирует способность хранить и распространять звенья сети, необходимые для квантовых коммуникаций на довольно больших расстояниях.

Оксфордский университет и Университет штата Мэриленд в настоящее время строят квантовые компьютеры, которые работают аналогично сегодняшней сети. Их квантовые компьютеры состоят из узлов связанных ионов, которые были объединены в сеть, чтобы говорить друг с другом.

Чем больше компьютер вам нужен, тем больше узлов вы должны иметь, но их тип квантового компьютера передает данные только на короткое расстояние.

«Мы хотим сделать их маленькими, чтобы они могли быть хорошо защищены от декогеренции, но если они маленькие, то они не могут удержать много кубитов», говорит д-р Викари.«Когда мы соединяем узлы в сеть, то у нас по-прежнему есть квантовый компьютер с неограниченным числом кубитов и при этом мы сохраняем защиту всех узлов».

Квантовая память

Станция повторителя также должна иметь микросхему квантовой памяти. Узлы создают «звенья», которые состоят из запутанных пар легких частиц. Эти запутанные пары готовятся заранее.

В то время как узел вычисляет маршрут по сети, по которому требуется передать сообщение, он должен хранить запутанную пару фотонов где-то в безопасности, для этого требуется микросхема квантовой памяти. Узел должен иметь возможность хранить фотоны как можно дольше.

Исследователи из Австралийского национального университета (ANU) разработали чип квантовой памяти, совместимый с телекоммуникацией, с использованием кристалла, легированного эрбием. Это устройство способно хранить свет в нужном цвете, и может делать это дольше одной секунды, что в 10 000 раз больше, чем все остальные возможности на сегодняшний день.

«Самая большая проблема сегодня заключается в том, чтобы продемонстрировать квантовую память с большой емкостью для хранения данных», говорит Би-би-си профессор Мэттью Селларс, менеджер программ в Центре квантовых вычислений и коммуникационных технологий (CQC2T) в ANU. «Объем хранения памяти и является ограничителем скорости передачи данных через сеть.Я думаю, что потребуется около пяти лет, прежде чем технология [квантового Интернета] станет практичной и реалистичной».