Китайские учёные планируют запустить к 2030 году глобальный квантовый интернет, а в городском округе Хэфэй уже началось строительство квантовой сети площадью более 12,5 км. Об этом сообщают авторы публикации в престижном журнале Nature.
Принцип работы такой системы основан на квантовой телепортации, которая точно передаёт квантовое состояние в виде элементарной частицы — фотона — между удалёнными узлами. Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние, поэтому она не имеет ничего общего с телепортацией из фантастических фильмов.
Начиная с 1997 года, в лабораторных условиях проводилось множество экспериментов по квантовой телепортации. Например, в сентябре 2015 года учёные из Национального института стандартов и технологий США телепортировали фотоны по оптическому волокну на расстояние свыше 100 км.
Квантовая сеть реализует метод квантовой криптографии. Благодаря ему вся переданная информация остаётся строго конфиденциальной. Технология основана на принципе неопределённости Гейзенберга: мы не можем одновременно вычислить и координаты частицы, и её импульс. Фотон, летящий по линии связи, мгновенно среагирует на попытку хакерской атаки. Таким образом если кто-то попытается вмешаться в передачу сообщения, то он разрушит исходный сигнал, что сразу станет известно отправителю. Такую сверхзащиту от перехвата и взлома будут поддерживать космические спутники.
В середине августа 2016 года Китай запустил первый в мире спутник квантовых коммуникаций с космодрома Цзюцюань в пустыне Гоби. Аппарат «Мо-цзы», названный в честь древнекитайского философа, поможет «протянуть» космическую линию связи и преодолеть барьер в 300 км, существующий для наземных станций. Основная цель миссии — установка защищённого квантового канала между Пекином и Веной. Для охвата всей планеты учёные планируют запустить ещё несколько подобных спутников.
На рисунке ниже представлена будущая сеть. Пользователь получает доступ к центральному квантовому процессору с помощью телепортации квантового состояния через соседний узел ретрансляции.
Необходимо, чтобы каждый узел сети имел независимый квантовый источник. Для решения этой проблемы очень важно осуществить интерференцию независимых фотонов в виде летающих квантовых разрядов из удалённых узлов сети. В предыдущих экспериментах такая ситуация была возможна из-за стабильных лабораторных условий. Поэтому сеть должна быть устойчивой к любым шумам реального мира. Для этого разработан целый ряд методов, обеспечивающих стабилизацию и высокую точность системы в течение нескольких недель без технического обслуживания.
На фотографии ниже можно рассмотреть вид экспериментального комплекса в Хэфэй с высоты птичьего полёта. «Чарли» является транслятором, «Алиса» — пользователем, а «Боб» — центральным процессором. «Алиса» подключена к «Чарли» оптическим волокном длиной 15,7 км, а между «Бобом» и «Чарли» — 14,7 км. Квантовые сигналы передаются в оптоволокне, обозначенном сплошной линией, классические сигналы — в другом оптоволокне, изображённом пунктирной линией.
Возникает вопрос: откуда взялись эти имена? Так сложилось, что они широко используются для удобства объяснения работы сети: фраза «Алиса посылает Бобу сообщение, зашифрованное его открытым ключом» воспринимается гораздо легче, чем «сторона А посылает стороне Б сообщение, зашифрованное открытым ключом стороны Б». Со временем сформировались традиции, какими именами обозначать участников процесса. «Алиса» и «Боб» обозначают не обязательно людей: это могут быть, например, компьютерные программы, действующие от чьего-то имени.
Итак, применяя различные механизмы обратной связи для подавления шумов в длине волны, времени, спектре и мощности, китайские учёные реализовали надёжную систему квантовой телепортации в реальном мире. Разработанная технология применима ко многим системам обработки информации с помощью независимых квантовых источников.
Независимо от описанных выше исследований в Хэфэй похожие эксперименты проводятся в городе Калгари, Канада. Вольфганг Титтель из университета Калгари и его коллеги разместили детектор «Чарли» в главном корпусе, «Боба» в лаборатории на расстоянии в 6 км и «Алису» в другой лаборатории за 12 км от главного корпуса.
Юлия Троицкая