Этот эксперимент показывает, как эти проблемы можно преодолеть, и, следовательно, он устанавливает важную веху на пути к будущему квантового интернета.
Сверхбезопасный квантовый Интернет уже близко
В декабре в рамках реализации мероприятий «дорожной карты» «Квантовые вычисления» ученые из Российского квантового центра и Физического института имени П. Лебедева РАН представили прототип квантового компьютера на ионах. Исследователям удалось разработать систему из 4 кубитов, не наращивая число ионов, а применив оригинальную технологию масштабирования квантовых процессоров с использованием многоуровневых носителей информации — кудитов. Для справки: Госкорпорация «Росатом» — глобальный технологический многопрофильный холдинг, объединяющий активы в энергетике, машиностроении, строительстве.
Однако классические ретрансляторы нельзя использовать с квантовой информацией, поскольку любая попытка прочитать и скопировать информацию приведет к ее уничтожению. С одной стороны, это преимущество, поскольку ее невозможно «перехватить», не уничтожив и не предупредив пользователей. Однако для создания квантовых сетей на больших расстояниях это проблема. Один из способов решения — поделиться квантовой информацией через запутанные частицы света фотоны. Запутанные фотоны имеют общие свойства.
Чтобы передать запутанность частицы на больших расстояниях в квантовой сети, нужны два устройства: одно для создания запутанных фотонов, а другое для их хранения и возможности последующего извлечения информации о состоянии этих частиц. Уже существует несколько устройств, используемых для создания квантовой информации в виде запутанных фотонов и ее хранения, но генерация этого состояния по требованию и наличие совместимой квантовой памяти для их хранения до этого не создавались.
По словам ученых, любая попытка наблюдать или разрушить эти частицы автоматически изменит их состояние и уничтожит передаваемую информацию. Квантовый Интернет может также использоваться для соединения различных квантовых компьютеров друг с другом, помогая увеличить их общую вычислительную мощность.
Квантовые компьютеры все еще находятся на ранней стадии разработки и еще не так мощны, как классические компьютеры, но подключение их через Интернет может помочь ускорить их использование для решения сложных задач, таких как поиск новых фармацевтических препаратов или новых высокотехнологичных материалов. Университеты и лаборатории в регионе создали Чикагскую квантовую биржу, чтобы попытаться ускорить инновации и экономическое развитие. Части сети уже запущены и работают в различных национальных лабораториях. В Чикагской области Аргоннская национальная лаборатория построила 52-мильную квантовую сеть, которая вскоре соединится с близлежащим Fermilab, чтобы установить 80-мильный испытательный стенд.
В Нью-Йорке Университет Стони Брук и Брукхейвенская национальная лаборатория построили еще одну 80-мильную квантовую сеть.
Скорее это дополнение к нему. Он мог бы позаботиться о некоторых проблемах, которые мешают нынешнему интернету. Например, квантовый интернет обеспечит большую защиту от хакеров и киберпреступников.
Прямо сейчас, если Алиса в Нью-Йорке отправляет сообщение Бобу в Калифорнии через Интернет, это сообщение проходит более или менее по прямой линии от одного побережья к другому. Попутно сигналы, которые передают сообщение, ухудшаются; повторители читают сигналы, усиливают и исправляют ошибки. Но этот процесс позволяет хакерам «взломать» и перехватить сообщение. У квантовых сообщений нет этой проблемы.
Квантовые сети используют частицы легких фотонов для отправки сообщений, которые не подвержены кибератакам. По словам Рэя Ньюэлла, исследователя из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, вместо того, чтобы шифровать сообщение с использованием математической сложности, мы будем полагаться на особые правила квантовой физики. С квантовой информацией, «вы не можете скопировать или разделить ее, и вы даже не можете посмотреть на нее, не изменив ее».
Квантовая передача данных: как обстоят дела на сегодняшний день?
Пока эти прототипы работают не быстрее слабого компьютера, но это всего лишь вопрос времени. В свою очередь, используя мощнейший потенциал, удастся более быстро решить проблемы и сложности при внедрении принципиально нового, квантового интернета. Загадки квантового интернета Как работает квантовый интернет? Что это такое и в чем его суть? Отличие в том, что он базируется на законах квантовой механики.
Она была воспринята учёными как горячая, резкая область, которая может быть применена для описания явлений, до конца не понятых. Одним из них считается фотоэлектрический эффект. Парадоксы квантовой физики на службе у человечества На сегодня понятно: в наше ближайшее будущее войдёт такое явление, как квантовый интернет. Что это может нам принести или как это будет?
Возможно, это будет очередной скачек, подобный внедрению полупроводниковых транзисторов в прошлом. Принцип его основан на свойстве суперпозиции и квантовой запутанности. Он не имеет определённого спина и при измерении одной, вторая показывает противоположный. Для более полного понимания это означает, что каждая элементарная частица, несущая информацию, невидимо связана с её «запутанной» парой.
Причём расстояние между ними не играет ни какой роли, информация передаётся мгновенно. Используя эти аномальные законы, открываются огромные возможности в скорости и конфиденциальности передачи данных. Перехватить информацию, отправленную таким путём, оставшись незамеченным, невозможно: любое чтение оставляет следы, либо уничтожает исходную информацию. Скорость быстрее мысли Что касается последних данных по измерению скорости передачи данных, то они поражают наше воображение.
Она превышает скорость света в десять тысяч раз. Но, скорее всего, учёные в будущем обнаружат, что скорость передачи сигнала намного выше определённой ранее, таков квантовый интернет. Что это значит? Что нам может это дать?
Возможно, передачу сигналов на ранее немыслимые расстояния в космосе и новые открытия. Новые технологии в фотонах В технологии превращения фотонов в носитель информации российские учёные нашли применение искусственно выращенных кристаллов, а именно алмазов. Оказывается, когда свет проходит через кристаллы, он приобретает свойство жидкости и начинает формировать капли, вихри, волны. Его можно направлять по каким-либо каналам.
В общем, ведёт себя, как жидкость.
Новая стратегия будет заключаться в развитии этой отрасли через поддержку квантовых стартапов. Японские компании уже преуспели в использовании квантовой криптографии для высокозащищенной передачи данных. Но квантовое шифрование требует дорогостоящего специализированного оборудования, что стало препятствием для его более широкого внедрения. Помимо поддержки исследований и разработок, правительство рассмотрит возможность предоставления налоговых льгот, чтобы помочь развитию рынка.
Япония будет стремиться перейти к внутреннему производству оборудования для квантового шифрования, такого как детекторы фотонов, которые она пока закупает за рубежом. Китай запустил сеть квантовой связи, охватывающую примерно 2000 км между Пекином и Шанхаем, с целью ее дальнейшего расширения. Европа В ЕС лидером в области квантовых вычислений считается Голландия. Правительство Нидерландов вкладывает значительные средства в этот сектор — в 2021 году оно выделило 615 млн евро. Цель Голландии — в сотрудничестве с другими членами Евросоюза обеспечить надежную и безопасную связь и укрепить европейский суверенитет в области новых квантовых технологий.
Параллельно с созданием компьютера велась разработка прикладного программного обеспечения для работы с квантовыми вычислениями. В конце марта 2023 года был представлен облачный интерфейс.
Российский квантовый компьютер работает на основе ионов кальция-40. Каждая пара кудитов логических элементов обеспечивает вычислительную мощность, эквивалентную 20 кубитам. В основе такой системы не лежит бинарная логика, как у традиционных компьютеров — минимальная единица информации может хранить больше двух состояний.
«Квантовый интернет» планируют создать в России к 2030 году
Благодаря подобным решениям квантовая защита информации через шаг будет доступна для ее встраивания в мобильную связь и интернет вещей. Министерство энергетики США в ходе пресс-конференции, прошедшей 23 июля, сообщило о разработке «практически невзламываемого квантового интернета». Любопытно, что все последствия квантового Интернета можно проследить до эксперимента, настолько простого, что вы можете провести его в своей гостиной. Любопытно, что все последствия квантового Интернета можно проследить до эксперимента, настолько простого, что вы можете провести его в своей гостиной.
Шаг к квантовому интернету: квантовую информацию передали по обычному оптоволокну
Американские ученые создают на основе квантовой физики систему более безопасного и мощного интернета, пишет The Washington Post. Попытки перехвата отражаются на фотонах, всегда можно узнать скомпрометирована информация или нет. Это важно для правительственных, финансовых и военных каналов передачи данных. Рассказывает обозреватель The Washington Post Джен Вайлен: «Любой, кто попытается взломать Сеть, потерпит неудачу, потому что законы квантовой механики гласят, что воздействие на частицы в квантовом состоянии автоматически изменяет их и уничтожает передаваемую информацию.
Результаты опубликованы в Science Advances. В обычных телекоммуникациях, таких как Интернет или телефонные линии, информация тоже может быть потеряна на больших расстояниях. Чтобы бороться с этим, используют ретрансляторы, которые считывают и повторно усиливают сигнал. Однако классические ретрансляторы нельзя использовать с квантовой информацией, поскольку любая попытка прочитать и скопировать информацию приведет к ее уничтожению.
С одной стороны, это преимущество, поскольку ее невозможно «перехватить», не уничтожив и не предупредив пользователей. Однако для создания квантовых сетей на больших расстояниях это проблема. Один из способов решения — поделиться квантовой информацией через запутанные частицы света фотоны.
А время когеренции должно быть порядка времени передачи сигнала то есть не меньше 100 миллисекунд. Его квантовые свойства уникальны тем, что он работает в той же полосе, что и существующие сейчас оптоволоконные сети в современных телекоммуникационных оптоволоконных сетях используется длина волны 1310 или 1550 нанометров, а основной оптический переход иона эрбия соответствует длине волны 1538 нанометров. Благодаря этому нет необходимости дополнительно преобразовывать сигнал при передаче между элементами. При этом устойчивость уровней сверхтонкого расщепления иона эрбия может достигать 23 дней. Разумеется, обладая такими свойствами, такой ион не мог не привлечь внимания исследователей, однако все предыдущие авторы пытались использовать для хранения информации сам оптический переход, а не расщепленные спиновые уровни. Поэтому эффективность таких устройств не превышала одного процента, а максимальное время хранения информации не превышало 50 наносекнд.
Состояние иона эрбия стабилизировалось кристаллической решеткой материала ионной ловушки Y2SiO5, в которую эрбий вводился в качестве допирующего элемента.
По информации исследователей из Университета Саутгемптона , квантовые сети отличаются от классических сетей, использующих биты, байты и пакеты, где классическую информацию можно копировать и усиливать. На квантовую информацию распространяется действие теоремы о запрете клонирования, которая гласит, что квантовую информацию нельзя скопировать так, как это можно сделать с классическими данными. Это свойство делает квантовую информацию чрезвычайно безопасной, но усложняет передачу квантовой информации на очень большие расстояния.
Квантовая память является фундаментальная технология, позволяющая хранить и обрабатывать квантовую информацию в квантовых системах. Хотя квантовая память функционально аналогична памяти в классических компьютерах и сетях она хранит данные , она работает принципиально по-другому принципу. Частично это связано с теоремой о запрете клонирования и тем фактом, что запутанность быстро декогерирует, что может привести к ухудшению качества кубитов и их непригодности для использования в таких приложениях, как вычисления и передача данных. Кубиты также существуют в нескольких состояниях, известных как суперпозиция.
Это свойство обеспечивает сверхбезопасную передачу данных и экспоненциальную вычислительную мощность, но также требует устройства, уникального для квантовых приложений. Квантовая память в квантовых сетях Квантовые сети на 2024 г. Увеличение дальности связи - поскольку квантовая информация может декогерироваться, квантовая память имеет решающее значение для расширения радиуса действия безопасной системы квантовой связи на большие расстояния. Расширяя зону действия этих сетей, чтобы охватить большую географическую территорию, становится возможным соединять центры обработки данных ЦОД , площадки, кампусы и местоположения на больших расстояниях.
Квантовая память также может смягчить последствия потери сигнала в оптических волокнах.
Квантовые компьютеры и квантовый интернет изменят нашу жизнь!
На нынешнем этапе развития квантового интернета можно назвать только технологии защиты данных с помощью квантовой криптографии. Им удалось впервые сохранить и извлечь данные с квантовых компьютеров, что станет основой для передачи квантовой информации на большие расстояния. Учёные из США, похоже, совершили прорыв в квантовом интернете будущего. "Росатом" сообщил, что планирует к 2030 создать "квантовый интернет" на основе квантовых компьютеров.
Научная Россия/Взгляд в будущее: квантовый интернет
| Физик РАН рассказал об интернете будущего - - 20.11.2023 | Решающую роль в широком внедрении квантовых технологий должен сыграть квантовый интернет, считает физик Алексей Федоров. В интервью РИА Новости он объяснил, какие. |
| В России планируют создать квантовый интернет | Однако классические ретрансляторы нельзя использовать с квантовой информацией, поскольку любая попытка прочитать и скопировать информацию приведет к ее уничтожению. |
| Впервые ученые создали, сохранили и получили обратно квантовые данные | Эти запутанные квантовые состояния очень хрупки, когда принимают форму микроволновых фотонов, из-за чего процесс передачи информации существенно усложняется. |
Квантовую телепортацию осуществили на рекордное для городской сети связи расстояние
На нынешнем этапе развития квантового интернета можно назвать только технологии защиты данных с помощью квантовой криптографии. Однако и квантовые компьютеры, и квантовый интернет основаны на одном и том же фундаментальном компоненте: кубите. Для реализации этих задач в 2020 году была создана Национальная квантовая лаборатория, куда вошли "СП "Квант", Российский квантовый центр и 19 ведущих вузов страны. Концепция квантового интернета, предполагающая реализацию наиболее передовых информационных технологий, в настоящее время находится на уровне отработки прототипов. Благодаря подобным решениям квантовая защита информации через шаг будет доступна для ее встраивания в мобильную связь и интернет вещей. Международная группа ученых из Великобритании и Германии добилась прорыва в работе над созданием квантовых информационных сетей, которые в будущем могут прийти на смену.
Квантовая футурология
Изображение : Si Shen et al. Они использовали один кусок волновода из периодически поляризованного ниобата лития с косичками для генерации запутанных пар фотонов. На его основе инженеры разработали высококачественный квантово-запутанный источник света с частотой повторения 500 МГц. Исследователи разработали сверхчувствительные фотонные сенсоры для реализации квантовой телепортации и фиксации точности результатов. Они использовали высокопроизводительные однофотонные детекторы из сверхпроводящих нанопроволок, которые обладают нужной эффективностью и отличаются практически полным отсутствием шума.
Как и квантовые компьютеры, квантовый интернет не вышел далеко за пределы лабораторий и испытательных стендов. Проблема у всех разработчиков общая — квантовые технологии могут работать только в защищенной среде в течение коротких промежутков времени над узкоспециализированными задачами и допускают массу ошибок. Возможно ли «квантовое превосходство»? Между учеными ведутся споры о том, будет ли когда-нибудь достигнуто «квантовое превосходство» — станут ли квантовые компьютеры работать лучше, чем их обычные аналоги, по крайней мере, в некоторых конкретных задачах. Одна из сложно разрешимых задач — заставить кубиты поддерживать суперпозицию достаточно долго, чтобы выполнить задачу. Квантовые состояния суперпозиции чрезвычайно хрупки, и без правильной температуры и условий окружающей среды они быстро теряют свои качества и ведут себя хаотично. Чтобы нормально функционировать, кубиты должны храниться в специальных холодильниках при сверхнизких температурах, близких к точке, при которой атомы перестают двигаться. Потребность в специализированном оборудовании является ключевой причиной, по которой квантовые вычисления изучают только страны, готовые инвестировать в это большие ресурсы. Ведущий китайский квантовый физик Пан Цзяньвэй подсчитал , что потребуется «от четырех до пяти лет напряженной работы», чтобы исправить квантовые ошибки для двух квантовых компьютеров, разработанных его командой, прежде чем они смогут заняться решением важных научных вопросов, имеющих практическую ценность.
Но это несовершенный объект. Поэтому любое движение или ускорение электрического заряда приводит к потерям энергии, которая уходит в окружающую среду и нагревает процессор и элементы микросхем. Поэтому замена электрона фотонами в идеальном варианте приведёт к сокращению потерь колоссального количества энергии. Соответственно, себестоимость самого интернета упадет. Квантовый интернет в России Работы в России по квантовому интернету уникальны. Не смотря на малое финансирование и всяческие препоны, учёные провели достаточно экспериментов и добились в этой области фактически лидирующего положения. В результате удалось создать уникальный, высокого уровня институт. Он сочетает в себе экспериментальные и теоретические группы, а также прикладные исследования. Этот институт финансируется частично «Газпромбанком», частично государством в разных формах. В любом случае, это тот пример, которому должна следовать российская наука, не останавливаясь ни перед чем. Покоряем новые территории На нынешнем этапе развития квантового интернета можно назвать только технологии защиты данных с помощью квантовой криптографии. Подобные сети на сегодня представляют собой достаточно простые соединения точка—точка. Учёные стремятся создавать совместные решения, на основании которых объединяются различные каналы и способы шифрования. Если проследить за реализацией идеи, то результаты российских исследователей окажутся более существенными. Один из примеров - это детектор однофотонного излучателя, разрабатываемого в Курчатовском институте. Для существования такого открытия, как квантовая сеть интернет, учёным необходимо решить сложности совмещения особого оснащения для квантовой передачи данных и существующих на сегодня телекоммуникационных сетей. Основные вопросы лежат в решении коммутации и усилении сигнала. Если отправить информацию на основе кванта, по стандартному оптоволокну, то он не пройдёт через регенератор. Поэтому один из вариантов решения это превращение сигнала в электрический и затем возврат в исходное положение. На сегодня предел равен трёмстам километрам. Это дистанция, на которой необходимо производить регенерацию оптического сигнала. Также нужен прототип квантового коммутатора. Общий объем наличия проблемных задач может быть решён только в пределах десяти лет. Тем не менее, в учёных кругах утверждают о возможности «оседлать» квантовый интернет. Что это может принести и чем помочь? На сегодня нет однозначного ответа, но решение вопроса о внедрении и доведении подобных технологий к рядовому жителю, однозначно повысит его качество жизни и безопасность.
Помимо этого кутриты обладают уникальными характеристиками — они могут находиться в суперпозиции и быть одновременно единицей и нулем. В теории кутриты могут использоваться для отправки данных с помощью квантовой телепортации. Это метод отправки информации, основанный на «запутанности». Частицы данных, называемые «запутанными», могут влиять друг на друга, даже, если на находятся на разных континентах. Отправитель данных измеряет взаимодействие своего кубита с другим кубитом, в котором находится необходимая информация.