Quantum Internet: «Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι η απώλεια δεδομένων»

Γιατί χρειαζόμαστε ένα κβαντικό δίκτυο;

Υπάρχουν δύο κύριες εφαρμογές: Πρώτον, η δικτύωση κβαντικών υπολογιστών καθιστά δυνατή την αύξηση της υπολογιστικής τους ισχύος. Δεύτερον, ένα κβαντικό δίκτυο θα επιτρέψει την κρυπτογράφηση των επικοινωνιών που είναι απολύτως ανθεκτική στην υποκλοπή. Υπάρχουν όμως και άλλες εφαρμογές, για παράδειγμα τηλεσκόπια δικτύωσης για την επίτευξη προηγουμένως αδύνατης ανάλυσης για την παρατήρηση των βάθη του σύμπαντος ή η δυνατότητα συγχρονισμού ατομικών ρολογιών σε όλο τον κόσμο με εξαιρετική ακρίβεια, που καθιστά δυνατή τη μελέτη εντελώς νέων φυσικών φαινομένων. ερωτήσεις.

Πώς ανταλλάσσουν πληροφορίες οι κβαντικοί υπολογιστές;

Ουσιαστικά, με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως το κλασικό Διαδίκτυο: χρησιμοποιώντας φωτόνια. Αυτά τα φωτόνια μεταδίδονται μέσω οπτικών καλωδίων. Στο κλασικό Διαδίκτυο, χρησιμοποιούμε πολύ ισχυρά σήματα, παλμούς φωτός που αποτελούνται από δισεκατομμύρια φωτόνια. Εδώ, οι πληροφορίες μεταδίδονται χρησιμοποιώντας έναν δυαδικό κώδικα: φως αναμμένο ή σβηστό, παρόμοιο με τον κώδικα Μορς. Ωστόσο, το κβαντικό διαδίκτυο είναι διαφορετικό: εξακολουθεί να χρησιμοποιεί δυαδικό κώδικα, αλλά οι πληροφορίες δεν μεταφέρονται από παλμούς φωτός με πολλά φωτόνια, αλλά από μεμονωμένα φωτόνια. Αυτό καθιστά δυνατή τη μετάδοση κβαντομηχανικών καταστάσεων που περιέχουν εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες πληροφοριών.

Γιατί είναι τόσο πιο δύσκολο να οικοδομήσουμε ένα κβαντικό Διαδίκτυο;

Τα φωτόνια χάνονται καθώς περνούν μέσα από το οπτικό καλώδιο. Σε ένα κανονικό δίκτυο, τα σήματα μπορούν εύκολα να ενισχυθούν χρησιμοποιώντας επαναλήπτες που προσθέτουν περισσότερα φωτόνια στους παλμούς φωτός. Αλλά στο κβαντικό Διαδίκτυο, εάν χαθεί ένα μόνο φωτόνιο, όλες οι μεταδιδόμενες πληροφορίες καταστρέφονται ανεπανόρθωτα. Αυτός ο τύπος απώλειας είναι το μεγαλύτερο πρόβλημα κατά την κατασκευή ενός λειτουργικού δικτύου. Αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να λυθεί χρησιμοποιώντας κβαντικούς επαναλήπτες, στους οποίους η ομάδα μου εργάζεται αυτήν τη στιγμή.

Ποιες προκλήσεις αντιμετωπίζετε;

Η μετάδοση σε μικρές αποστάσεις λειτουργεί ήδη πολύ καλά. Ωστόσο, οι απώλειες αυξάνονται εκθετικά όσο αυξάνονται οι αποστάσεις. Για να κατασκευάσουμε κβαντικούς επαναλήπτες, χωρίζουμε τη συνολική απόσταση σε πολλά μικρά υποτμήματα. Τα buffer, ουσιαστικά μικροί κβαντικοί υπολογιστές, αποθηκεύουν την κβαντική κατάσταση μετά από κάθε υποτμήμα μέχρι να μεταδοθεί ένα φωτόνιο στο επόμενο υποτμήμα. Στη συνέχεια, αυτό που είναι γνωστό ως κβαντική τηλεμεταφορά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να «μεταδοθεί» στη συνέχεια η πληροφορία στο εκπεμπόμενο φωτόνιο. Αυτό απαιτεί μικρούς, αποδοτικούς κβαντικούς υπολογιστές, τους οποίους αναπτύσσουμε αυτήν τη στιγμή.

Πώς μοιάζουν αυτοί οι μικροί κβαντικοί υπολογιστές;

Τα καλύτερα συστήματα που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα χρησιμοποιούν μεμονωμένα άτομα που συλλαμβάνονται σε κενό με φως λέιζερ και ψύχονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση απαιτεί ένα ολόκληρο εργαστήριο γεμάτο οπτικά εξαρτήματα, γεγονός που καθιστά δύσκολη την εφαρμογή του σε μικρή κλίμακα. Αντίθετα, χρησιμοποιούμε κρυστάλλους πυριτίου στους οποίους έχουν εισαχθεί τα μεμονωμένα άτομα και, ας πούμε, παγιδεύονται μέσα στον κρύσταλλο. Τα άτομα ερβίου που χρησιμοποιούμε διατηρούν τις κβαντομηχανικές τους ιδιότητες υπό αυτές τις συνθήκες. Αυτή η δομή απαιτεί επίσης χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά είναι τεχνικά πολύ πιο απλή. Μπορέσαμε να δείξουμε ότι αυτό το σύστημα λειτουργεί καταρχήν και ότι τα άτομα ερβίου, όταν διεγείρονται, παράγουν φωτόνια κατάλληλα για τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα εδώ είναι ότι μπορούμε να κατασκευάσουμε χιλιάδες ή και εκατομμύρια από αυτές τις δομές σε ένα μόνο τσιπ πυριτίου.

Γιατί είναι σημαντικό?

Η ανάγκη για προσωρινή αποθήκευση σε επαναλήπτες θα σήμαινε ότι η μεταφορά πληροφοριών από τη μια τοποθεσία στην άλλη θα έπαιρνε πολύ χρόνο. Για να επιτύχουμε ταχύτερη απόδοση, χρησιμοποιούμε κάτι που ονομάζεται πολυπλεξία. Αυτό σημαίνει ότι η διαδικασία πραγματοποιείται όσο το δυνατόν περισσότερες φορές παράλληλα. Η τεχνολογία μας το καθιστά δυνατό και ήδη εργαζόμαστε για να το πραγματοποιήσουμε.

Θα χρησιμοποιούμε όλοι το κβαντικό διαδίκτυο στο μέλλον;

Η κατάσταση θα μπορούσε να αποδειχθεί παρόμοια με αυτή του κλασικού Διαδικτύου: στην αρχή, σχεδόν κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι σήμερα όλοι θα περπατούσαν με πρόσβαση στο Διαδίκτυο στην τσέπη τους, θα χρησιμοποιούσαν δορυφόρους για να καθορίσουν τη θέση τους και θα πλοηγούνταν μέσω Διαδικτύου. Όσον αφορά το κβαντικό Διαδίκτυο, είμαστε ακόμα σε πολύ πρώιμο στάδιο. Η τρέχουσα έρευνά μας εξακολουθεί να εξετάζει τα βασικά στοιχεία και να εξετάζει πράγματα όπως: μπορούμε να συνδέσουμε αυτά τα συστήματα; Μπορούμε να πετύχουμε τη διάδοση των κβαντικών καταστάσεων σε όλο τον κόσμο; Οι δυνατότητες αυτού του τύπου συστήματος που γνωρίζουμε σήμερα θα ήταν ήδη επαναστατικές σε ορισμένους τομείς, και είμαι σίγουρος ότι θα υπάρχουν πολλές, πάρα πολλές εφαρμογές που κανείς δεν σκέφτεται καν σήμερα.