Исследователи из Нидерландов успешно соединили три отдельных квантовых процессора в первую в мире многоузловую квантовую сеть. Это открывает путь к крупномасштабному квантовому Интернету, о котором правительства и ученые мечтали десятилетиями.

QuTech, квантовый исследовательский институт из Делфта, опубликовал новую работу, в которой были связаны три узла, которые могут хранить и обрабатывать квантовые биты (также называемые кубитами). Это, по мнению исследователей QuTech, первая в мире рудиментарная квантовая сеть.

Подключение квантовых устройств отнюдь не новинка: многие исследователи по всему миру в настоящее время работают над аналогичными сетями, но пока им удалось соединить только два квантовых процессора. Таким образом, установление многоузлового соединения является ключевым шагом на пути к значительному увеличению размера сети.

Основная часть исследовательских усилий направлена на создание квантового Интернета, который однажды может охватить всю поверхность планеты. Квантовый Интернет будет использовать странные законы квантовой механики, чтобы позволить квантовым устройствам взаимодействовать друг с другом, и, как ожидается, откроет ряд приложений, которые невозможно запустить с помощью существующих классических средств.

Например, квантовый Интернет может связывать вместе небольшие квантовые устройства для создания большого квантового кластера с большей вычислительной мощностью, чем самые сложные классические суперкомпьютеры.

«Квантовый Интернет откроет ряд новых приложений, от незащищенной связи и облачных вычислений с полной конфиденциальностью пользователей до высокоточного хронометража», - сказал Маттео Помпили, член исследовательской группы QuTech. «И, как и в случае с Интернетом 40 лет назад, вероятно, существует множество приложений, которые мы не можем предвидеть прямо сейчас».

Одним из ключевых квантовых свойств, лежащих в основе квантового Интернета, является запутанность - явление, которое возникает, когда две квантовые частицы связаны таким образом, что становятся фундаментально связанными, независимо от того, насколько физически они удалены друг от друга.

Когда две квантовые частицы запутываются, их свойства становятся связанными, а это означает, что любое изменение одной из частиц неизбежно отразится на другой. В квантовой коммуникации это означает, что ученые могут эффективно использовать запутанные частицы для «телепортации» информации от одного кубита к его связанной паре, даже если они находятся в разных квантовых устройствах. Однако для того, чтобы система выстояла, в первую очередь необходимо установить и поддерживать запутанность. В последнее десятилетие этого добились многочисленные исследовательские группы, как правило, путем создания физической связи между двумя квантовыми устройствами. С помощью этой связи, часто оптического волокна, кубиты могут быть созданы, запутаны и затем распределены между двумя отдельными квантовыми устройствами.

Но двух узлов недостаточно для создания крупномасштабной сети; а в оптоволоконном кабеле, например, запутанность не может сохраняться примерно через 100 километров, а это означает, что созданные до сих пор квантовые сети были ограничены коротким расстоянием, которое они могли преодолеть.  Вот почему исследовательская группа QuTech разрабатывает систему на основе промежуточных узлов, аналогичную маршрутизаторам в классическом Интернете, которая может поддерживать запутанность на больших расстояниях.

Боб, Алиса и Чарли

Архитектура, которую раскрыли ученые, на первый взгляд проста. Средний узел, называемый Бобом, имеет физическое соединение с двумя внешними узлами, называемыми Алисой и Чарли. Это означает, что запутанность может быть установлена между Бобом и каждым из внешних узлов. Боб оснащен двумя кубитами, один из которых является кубитом памяти, который позволяет устройству сохранять установленную квантовую связь, например, с Алисой, создавая, благодаря своему коммуникационному кубиту, новую связь с другим узлом - в этом сценарий с Чарли. Как только созданы обе связи с внешними узлами, Боб локально соединяет свои два кубита, что создает полностью связанную сеть с запутанностью между всеми тремя узлами. Это означает, что между Алисой и Чарли может быть установлена квантовая связь, даже без прямой физической связи между двумя узлами.

Команда QuTech также разработала первый протокол квантовой сети с сигналом флага, указывающим, что каждая операция была успешно завершена.

«Основное преимущество этой демонстрации заключается в том, что у нас есть масштабируемый способ объединения нескольких узлов в сеть», - сказал Рональд Хэнсон, возглавлявший исследовательскую группу. «У нас есть память, которая может хранить запутанное состояние, пока готовится новая запутанность. И у нас есть предвещающие сигналы, которые сообщают нам, когда запутанность была успешно создана». «Это позволило нам создать переплетение между тремя узлами, которое готово к использованию для дальнейшей обработки или других протоколов. Это первый раз, когда это было достигнуто в любой настройке квантовой сети».

Новая сеть станет испытательной площадкой для разработки нового оборудования, программного обеспечения и протоколов квантового Интернета; но эксперимент также должен будет превратиться из доказательства концепции в работоспособное решение, чтобы масштабировать квантовые сети.

Фактически, до сих пор исследователи подключили «только» отдельные кубиты, а не квантовые процессоры. Теперь они сосредоточатся на добавлении большего количества кубитов в свою трехузловую сеть, а также на добавлении программных и аппаратных уровней более высокого уровня. Но в будущем команда ожидает, что текущий подход будет протестирован вне лаборатории на существующем телекоммуникационном оптоволокне.

«Будущий квантовый Интернет будет состоять из бесчисленных квантовых устройств и промежуточных узлов», - говорит Хэнсон. «Коллеги из QuTech уже изучают будущую совместимость с существующими инфраструктурами данных».

Исследования QuTech поддерживаются Европейским Quantum Internet Alliance, который является частью десятилетнего квантового флагмана стоимостью 1 миллиард евро (1,2 миллиарда долларов) - инициативы, запущенной в 2018 году для стимулирования квантовых исследований и разработок. ЕС далеко не единственный, кто способствует развитию квантового Интернета. Китай и США в равной степени заинтересованы в развитии квантовых сетей и уже достигли значительных успехов в этой области. Китайские ученые, например, недавно установили запутанность на рекордные 1200 километров.

Ранее в этом году ученым из Cleland Labs в США также впервые  удалось запутать два отдельных кубита, соединив их с помощью кабеля, - еще один прорыв, который, как ожидается, ускорит создание квантовых сетей.