5 Minuten
Kvantiniai signalai keliauja per veikiančius komercinius optinius kabelius
Pensilvanijos universiteto inžinerijos komanda įrodė, kad kvantinė informacija gali keliauti kartu su įprastu interneto srautu esama komercine optinių skaidulų infrastruktūra. Kompaktiškas integruotas įrenginys, pavadintas Q-chip, sinchronizavo kvantinius ir klasikinius signalus ir perdavė juos per Verizon universiteto tinklą naudojant įprastus Internet Protocol (IP) metodus.
Penn komanda parodė, kad kvantiniai signalai gali judėti šalia kasdienio interneto srauto per komercinius kabelius. Jų „Q-chip“ eksperimentas žymi žingsnį link mastelio keičiamo kvantinio interneto su pasaulį keičiantiomis galimybėmis. Credit: Shutterstock
Šis eksperimentas, paskelbtas Science žurnale, žymi svarbų etapą perkeliant kvantinį tinklo ryšį iš kontroliuojamų laboratorinių sąlygų į realius telekomunikacijų tinklus. Bandymo rezultatai įrodo, kad trapios kvantinės būsenos gali būti supakuotos, maršrutuojamos ir klaidoms taisyti apsaugotos dalinantis skaidulomis su įprastu duomenų srautu — tai esminė galimybė būsimoms platuma aprėpiamoms kvantinėms komunikacijoms ir paskirstytam kvantinių skaičiavimų tinklui.
Kaip Q-chip suderina klasikinį ir kvantinį duomenų srautą
Q-chip (Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics) poruoja matomą klasikinį „antraštės“ signalą su apsaugotu kvantiniu krovinu. Klasikinė antraštė keliauja šiek tiek prieš kvantines daleles ir gali būti nuskaitoma naudojant įprastinę tinklo įrangą. Šis skaitomas paketas suteikia maršrutizavimo ir būklės informaciją, niekada neinterferuodamas su pačia kvantine būsena.
„Leisdami klasikiniai antraštei eiti pirmyn, galime nustatyti maršrutą ir taisyti kanalo trikdžius, nepamatavę kvantinės informacijos,“ paaiškino Liang Feng, medžiagų mokslo ir inžinerijos bei elektros ir sistemų inžinerijos profesorius, vadovavęs tyrimui. Toks sprendimas leidžia sistemai naudoti IP tipo paketų adresavimą, dinaminį persijungimą ir pažįstamas tinklo valdymo sistemas perkelti kvantinius duomenis per esamus optinius tinklus.
Yichi Zhang, medžiagų mokslo ir inžinerijos doktorantas, tikrina kvantinio signalo šaltinį. Credit: Sylvia Zhang
Analogija: traukinio lokomotyvas ir užplombuotos krovininės talpos
Įsivaizduokite klasikinį signalą kaip lokomotyvą, o kvantinę informaciją — kaip krovinį užplombuotose konteineriuose. Lokomotyvą galima patikrinti, peradresuoti ir taisyti neatidarant konteinerių — tai naudingas modelis entanglemento ir kitų kvantinių savybių išsaugojimui, kurios būtų sunaikintos matavimo metu.
Adaptacija: kvantinis perdavimas realiems tinklams
Realiuose tinkluose optinės skaidulos patiria temperatūros svyravimus, vibracijas ir kitus aplinkos pokyčius, kurių laboratorijoje nėra. Klasikinės antraštės matavimas leidžia reaguojant nustatyti, kaip tie trikdžiai veikia kvantinį krovinius; taisomieji veiksmai tada gali būti atlikti ant lusto neapmatuojant kvantinių dalelių tiesiogiai.
Dalis įrangos, naudojamos sukurti kvantinio tinklo mazgui, esant maždaug už vieno kilometro Verizon komercinio optinio kabelio nuo signalo šaltinio. Credit: Sylvia Zhang
Lauko bandymuose per maždaug vieno kilometro Verizon universiteto optinę skaidulą sistema pasiekė perdavimo fidelitį virš 97%, nurodant tvirtą kvantinių būsenų išsaugojimą triukšmingoje aplinkoje. Q-chip pagamintas silicyje naudojant įtvirtintus procesus, todėl jį galima masiškai gaminti ir integruoti su esama telekomunikacijų įranga, kad būtų galima išplėsti miesto vietovės kvantinius tinklus.
Yichi Zhang, medžiagų mokslo ir inžinerijos doktorantas, su įranga, naudojama generuoti ir siųsti kvantinį signalą per Verizon optinius kabelius. Credit: Sylvia Zhang
Mokslinis kontekstas ir techniniai iššūkiai
Kvantinė komunikacija remiasi susietumu (entanglement), neklasikine koreliacija, kur vienos dalelės matavimas akimirksniu veikia jos partnerę. Nors susietumas leidžia užtikrintą komunikaciją ir paskirstytus kvantinius skaičiavimus, jis yra trapus: tiesioginis matavimas sužlugdo kvantinę būseną, tad tradicinis signalo tikrinimas negali būti naudojamas kvantinei informacijai maršrutuoti ar sustiprinti.
Robert Broberg, elektros ir sistemų inžinerijos doktorantas ir bendraautorius, pažymėjo, kad šis matavimo apribojimas yra pagrindinė problema plečiant kvantinius tinklus: „Įprasti tinklai naudoja matavimus duomenims valdyti; kvantiniai tinklai turi vengti kvantinio krovinio matavimo, tuo pačiu palaikydami maršrutizavimą ir klaidų mažinimą.“ Q-chip tai išsprendžia atskirdamas nuskaitomą klasikinę antraštę nuo neskaitomo kvantinio krovinio.
Vienas kvantinio tinklo mazgas, esantis apie vieno kilometro Verizon optinio kabelio atstumu nuo kvantinio signalo šaltinio. Credit: Sylvia Zhang
Apribojimai ir tolimesnis kelias
Viena iš pagrindinių likusių kliūčių yra ilgų nuotolių stiprinimas. Skirtingai nei klasikiniai signalai, kvantinių būsenų paprastai negalima sustiprinti nepažeidžiant susietumo. Tinklo plėtrai už metro zonos ribų reikės kvantinių pakartotuvų ir naujų stiprintuvų. Esami kvantinio raktų paskirstymo (QKD) metodai gali apimti didelius atstumus saugiems raktams, tačiau kol kas nepalaiko kvantinių procesorių sujungimo paskirstytiems skaičiavimams.
Iš kairės: Liang Feng, medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius, ir Robert Broberg, elektros ir sistemų inžinerijos doktorantas. Už jų matomi laidai apima Verizon optinį kabelį, kuris perdavė kvantinį signalą. Credit: Sylvia Zhang
Nors techninių iššūkių dar yra, Penn demonstracija parodo, kad kvantinis srautas gali naudoti pažįstamus interneto protokolus ir fizinę infrastruktūrą, leidžiant palaipsniui diegti ir testuoti sprendimus dabartinėse telekomunikacijų ekosistemose.
Eksperto nuomonė
Dr. Maria Alvarez, vyresnioji kvantinės komunikacijos tyrėja (fiktyvi, bet reprezentatyvi), komentuoja: „Kvantinių signalų integravimas į esamus IP karkasus yra esminis žingsnis. Galimybė iš klasikinės antraštės nuspėti kanalo trikdžius ir pritaikyti taisymus neardant kvantinių būsenų yra elegantiška ir praktiška. Šis požiūris pagreitina artimo laikotarpio bandymus miesto tinkluose ir padeda sutelkti tyrimus į masteliui pritaikytus kvantinius pakartotuvus ilgoms jungtims.“
Išvados
Q-chip eksperimentas rodo, kad kvantinė informacija gali būti maršrutuojama ir apsaugoma komerciniuose optiniuose kabeliuose šalia įprasto interneto srauto naudojant standartinius protokolus. Pasiekus >97% fidelitą per veikiančias telekomunikacijų linijas, demonstruojama praktinė suderinamumas su esama infrastruktūra ir galimybė skalebiamiems diegimams miesto teritorijose. Likę iššūkiai apima ilgų nuotolių stiprinimą ir pakartotuvų vystymą, tačiau kvantinio srauto įterpimas į IP varomą architektūrą yra lemiamas žingsnis link funkcinio kvantinio interneto, galinčio sujungti kvantinius kompiuterius, leisti naujus kriptografijos metodus ir pažanginti AI, medžiagų atradimus bei kitas mokslo sritis.
Quelle: scitechdaily
Kommentare