Французькі та американські науковці вперше провели експеримент, який успішно продемонстрував роботу «гібридної» квантової комунікаційної мережі. Їхній підхід поєднав два принципово різні методи закодовування інформації у фотони й потенційно може лягти в основу неймовірно потужних комунікаційних та комп’ютерних квантових систем.
За аналогією з тим, як класична електроніка репрезентує інформацію цифровим або аналоговим способом, квантові системи також можуть закодовувати її дискретним способом (у частинки) та неперервним (у хвилі). Працюючи над квантовими комунікаційними системами, дослідники використовували то один, то інший спосіб – але ще ніколи два водночас.
«Дискретний та неперервний методи мають свої переваги та недоліки», – каже Ґі де Рідматтен, фізик з Інституту фотонних наук у Барселоні, який не брав участі в експерименті. Неперервний метод передбачає закодовування інформації у світлові хвилі різної інтенсивності або фази. Такий спосіб передачі інформації ефективніший, ніж дискретне кодування, але водночас чутливіший до втрати або перебоїв сигналу. Натомість дискретний спосіб, який передає інформацію окремими фотонами (квантами світла), менше схильний до збоїв та помилок, але його складніше поєднати зі стандартними інформаційними технологіями. Поєднання обох підходів, за словами Рідматтена, дозволить «узяти найкраще з обох світів».
У квантових мережах інформація зберігається та передається на основі законів квантової механіки, які теоретично дозволяють досягнути такої пропускної здатності та обчислювальної потужності, які багаторазово перевершують можливості класичних комп'ютерів.
Наприклад, класичні біти закодовують інформацію у «0» та «1». Квантові мережі натомість використовують квантові біти, або кубіти, які завдяки квантовим ефектам можуть набувати цих значень одночасно. А для передачі даних ці системи використовують ще один квантовий ефект, який називається «заплутаністю». Відома завдяки характеристиці Альберта Айштайна як «моторошна дія на відстані», заплутаність полягає у тому, що одна частинка впливає на поведінку іншої, навіть якщо їх розділити на яку завгодно відстань (Айнштайн називав цей ефект «моторошним», адже він суперечить фундаментальному принципу теорії відносності, згідно з яким швидкість будь-якої взаємодії не може перевищувати швидкість світла). Будь-яка зміна у стані однієї частинки автоматично зумовлює зміну у стані іншої. Комп’ютерні науковці ще давно зрозуміли, що цей ефект можна використати для створення ультразахищених каналів зв'язку, адже будь-яка спроба втрутитись у такий канал порушить ефект заплутаності, тож підслухати розмову, передану таким каналом, неможливо в принципі.
Комунікаційні системи, що використовують квантові ефекти, можуть бути різні, але усі вони, як правило, ґрунтуються на дискретній чи неперервній архітектурі. Дослідники з Лабораторії Кастлера-Бросселя у Парижі та Національного інституту стандартів та технологій США (штат Меріленд) змогли ефективно поєднати обидва підходи, заплутавши дикретний з неперевним сигналом у єдиній квантовій системі.
За допомогою складної мережі оптичних компонентів їм вдалося отримати фотони з різними різновидами заплутаності. Один із них постав завдяки розщепленню єдиного фотона між двома шляхами. А інший, так званий гібридний заплутаний стан, – із заплутання дикретного оптичного кубіта з неперервним, або суперпозицією двох фаз світла. «Завдяки спеціальній процедурі, яка називається вимірювання станів Белла і яку застосували до цих двох окремих заплутаностей, їх вдалося перенести, або "телепортувати", від однієї системи до іншої, які ніколи між собою не взаємодіяли», – каже Жульєн Лура, професор Сорбоннського університету в Парижі, який очолював дослідження. Це дозволило передати квантову інформацію від одного методу кодування до іншого, прокладаючи шлях до їхнього об’єднання.
Марку Белліні, науковцю з Національного інституту оптики в Італії, який не брав участі у дослідженні, найоригінальнішим у цьому експерименті видалось те, що дослідники змогли успішно поміняти місцями стани заплутаності між двома променями світла, які несли різні види квантової інформації. Досі зв’язкок таких систем був значним викликом. Проте «цей експеримент продемонстрував те, що може стати важливим інґредієнтом майбутніх мереж – об’єднання пам’яті та процесора, що ґрунтуються на різних квантових платформах», – вважає Белліні.
Утім, ще потрібно виконати багато роботи, перш ніж вдасться створити першу практичну гібридну квантову мережу. Річ у тім, що теперішній метод надзвичайно неефективний, адже науковцям вдалося згенерувати гібридне заплутання між дискретними та неперервними кубітами в середньому тільки тричі за хвилину. «Цього було достатньо, щоб показати, що принцип працює, але для будь-яких практичних застосувань потрібні на багато порядків потужніші передавачі», – резюмує Белліні.
Але прориви у цій галузі, здається, таки будуть. Низка інших дослідницьких команд працюють над тим, щоб розробити і продемонструвати нові квантово-мережеві протоколи й заповнити теперішню прогалину між лабораторними демонстраціями і практичними пристроями.
Белліні якраз очолює одну з таких команд, яка маніпулює заплутаністю, додаючи та віднімаючи фотони від класичних світлових полів. Групи в Японії, Росії, Данії та Чехії також досліджують гібридні оптичні підходи до квантової інформації. Колись такі експерименти обов’язково будуть ефективнішими, а квантові комунікації покинуть «лаву запасних» і стануть повноцінними конкурентами теперішнім оптоволоконним телекомунікаційним мережам.
Dhananjay Khadilkar
‘Hybrid’ Quantum Networking Demonstrated for First Time
Scientific American, 2/07/2020
Зреферував Є. Л.
06.07.2020