Първата в света многовъзлова мрежа просто ни отведе по-близо до неуловимия квантов интернет

Изследователите са установили мрежата, използвайки сложна система от лазери. (Marieke de Lorijn/QuTech)

Учените се приближиха една крачка по-близо до a колкото интернет чрез създаване на първата в света многовъзлова квантова мрежа.

Изследователи от изследователския център QuTech в Холандия създадоха системата, която се състои от три квантови възела, оплетени от призрачните закони на квантова механика които управляват субатомните частици. Това е първият път, когато повече от два квантови бита или „кубита“, които правят изчисленията в квантово изчисление са били свързани заедно като „възли“ или мрежови крайни точки.

Изследователите очакват първите квантови мрежи да отключат изобилие от изчислителни приложения, които не могат да се изпълняват от съществуващи класически устройства - като по-бързо изчисление и подобрена криптография.

Свързани: 12 зашеметяващи експеримента на квантовата физика

„Това ще ни позволи да се свържем квантови компютри за повече изчислителна мощност, създайте мрежи, които не могат да бъдат хакнати, и свържете атомни часовници и телескопи заедно с безпрецедентни нива на координация“, каза Матео Помпили, член на изследователския екип на QuTech, който създаде мрежата в Делфтския технологичен университет в Холандия, пред Live Science.

„Има и много приложения, които всъщност не можем да предвидим. Единият би могъл да бъде създаването на алгоритъм, който да провежда избори по сигурен начин, например.

Почти по същия начин, по който традиционният компютърен бит е основната единица цифрова информация, кубитът е основната единица квантова информация. Подобно на бита, кубитът може да бъде или 1, или 0, които представляват две възможни позиции в система с две състояния.

Но тук приликите свършват. Благодарение на странните закони на квантовия свят кубитът може да съществува в суперпозиция както на състоянията 1, така и на 0 до момента, в който бъде измерен, когато произволно ще се свие или в 1, или в 0. Това странно поведение е ключът до силата на квантовите изчисления, тъй като позволява на кюбит да извършва множество изчисления едновременно.

Свързани: 18-те най-големи неразгадани мистерии във физиката

Най-голямото предизвикателство при свързването на тези кубити заедно в квантова мрежа е установяването и поддържането на процес, наречен заплитане , или какво Алберт Айнщайн наречен „призрачен екшън от разстояние“.

Това е, когато два кубита се свържат, свързвайки техните свойства, така че всяка промяна в едната частица ще доведе до промяна в другата, дори ако са разделени от огромни разстояния.

Можете да заплитате квантови възли по много начини, но един общ метод работи, като първо заплита стационарните кубити (които образуват възлите на мрежата) с фотони или светлинни частици, преди да изстрелят фотоните един срещу друг. Когато се срещнат, двата фотона също се заплитат, като по този начин оплитат кубитите. Това свързва двата стационарни възела, които са разделени на разстояние. Всяка промяна, направена в единия, се отразява от незабавна промяна в другия.

„Призрачно действие от разстояние“ позволява на учените да променят състоянието на частица, като променят състоянието на нейния далечен заплетен партньор, ефективно телепортирайки информация през големи празнини.

Но поддържането на състояние на заплитане е трудна задача, особено тъй като заплетената система винаги е изложена на риск от взаимодействие с външния свят и да бъде унищожена от процес, наречен декохерентност.

Това означава, първо, че квантовите възли трябва да се държат при изключително ниски температури в устройства, наречени криостати, за да се сведат до минимум шансовете кубитите да се намесят в нещо извън системата. Второ, фотоните, използвани в заплитането, не могат да изминат много дълги разстояния, преди да бъдат погълнати или разпръснати - унищожавайки сигнала, изпратен между два възела.

„Проблемът е, че за разлика от класическите мрежи не можете да усилите квантовите сигнали. Ако се опитате да копирате кубита, вие унищожавате оригиналното копие“, каза Помпили, позовавайки се на „теоремата за забрана на клонирането“ на физиката, която гласи, че е невъзможно да се създаде идентично копие на неизвестно квантово състояние.

„Това наистина ограничава разстоянията, на които можем да изпращаме квантови сигнали до десетки стотици километри. Ако искате да настроите квантова комуникация с някого от другия край на света, ще ви трябват релейни възли между тях.

За да разреши проблема, екипът създаде мрежа с три възела, в които фотоните по същество „преминават“ заплитането от кубит в един от външните възли до един в средния възел. Средният възел има два кубита - един за придобиване на заплетено състояние и един за съхраняването му.

След като заплитането между един външен възел и средния възел бъде съхранено, средният възел заплита другия външен възел със своя резервен кубит. След като всичко това е направено, средният възел заплита двата си кубита, което води до заплитане на кубитите на външните възли.

Но проектирането на това странно квантово механично въртене на класическия „пъзел за пресичане на река“ беше най-малката от проблемите на изследователите – странна, със сигурност, но не твърде трудна идея. За да направят заплетените фотони и да ги насочат към възлите по правилния начин, изследователите трябваше да използват сложна система от огледала и лазерна светлина. Наистина трудната част беше технологичното предизвикателство да се намали досадният шум в системата, както и да се гарантира, че всички лазери, използвани за производството на фотони, са перфектно синхронизирани.

„Говорим за наличието на три до четири лазера за всеки възел, така че започвате да имате 10 лазера и три криостата, които всички трябва да работят едновременно, заедно с цялата електроника и синхронизацията“, каза Помпили.

Системата с три възела е особено полезна, тъй като кюбитът на паметта позволява на изследователите да установят заплитане в мрежата възел по възел, вместо по-взискателното изискване да се направи всичко наведнъж. Веднага след като това бъде направено, информацията може да бъде излъчена в мрежата.

Някои от следващите стъпки на изследователите с тяхната нова мрежа ще бъдат да се опитат да излъчат тази информация, заедно с подобряване на основните компоненти на изчислителните способности на мрежата, така че да могат да работят като обикновените компютърни мрежи. Всички тези неща ще определят мащаба, който новата квантова мрежа може да достигне.

Те също искат да видят дали тяхната система ще им позволи да установят преплитане между Делфт и Хага, два холандски града, които са приблизително на 6 мили (10 километра) един от друг.

„В момента всички наши възли са на разстояние от 10 до 20 метра [32 до 66 фута] един от друг“, каза Помпили. „Ако искаш нещо полезно, трябва да изминеш километри. Това ще бъде първият път, когато ще направим връзка между дълги разстояния.

Изследователите публикуваха своите открития на 16 април в списанието Наука .

Свързано съдържание:

18-те най-големи неразгадани мистерии във физиката

Най-красивите уравнения в света

9-те най-масивни съществуващи числа

Тази статия е публикувана първоначално от Наука на живо . Прочетете оригиналната статия тук .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.