Kvantni signali idu putem standardnog internet protokola - rad inženjera sa Pensilvanijskog univerziteta

U prvom eksperimentu svoje vrste, inženjeri na Pensilvanijskom univerzitetu izneli su kvantnu mrežu iz laboratorije u komercijalne kablove od optičkih vlakana putem istog internet protokola (IP) koji je u osnovi današnjeg interneta.

Ovaj rad pokazuje da krhki kvantni signali mogu da putuju istom infrastrukturom koja nosi svakodnevni internet saobraćaj.

Preporučujemo

Maleni Q-chip koordinira kvantne i klasične podatke i govori, što je bitno, isti jezik kao moderna mreža. Taj pristup bi mogao pripremiti put za budući kvantni internet, koji bi, smatraju naučnici, jednog dana mogao biti revolucionaran kao nastupanje ere interneta.

Kvantni signali se oslanjaju na parove „spregnutih“ čestica, tako tesno povezanih da promena jedne odmah utiče na drugu. Upotreba tog svojstva bi mogla omogućiti kvantnim kompjuterima da se povežu i udruže svoju procesorsku snagu, obezbeđujući napredak poput brže, energetski efikasnije veštačke inteligencije ili pravljenja novih lekova i materijala van dometa današnjih superkompjutera.

Rad inženjera sa Pensilvanijskog univerziteta pokazuje, prvi put na komercijalnom optičkom kablu, da čip može ne samo da šalje kvantne signale, već i da automatski koriguje šum, grupiše kvantne i klasične signale u standardne internet pakete i usmerava ih pomoću istog sistema adresiranja i upravljačkih instrumenata koji povezuju svakodnevne internet uređaje.

„Pokazujući da integrisani čip može da upravlja kvantnim signalima u aktivnoj komercijalnoj mreži i to putem istih protokola koji omogućavaju klasični internet, napravili smo bitan korak ka većim eksperimentima i praktičnom kvantnom internetu“, kažu inženjeri.

Ervin Šredinger, tvorac izraza „kvantno sprezanje“, poslužio se slikom mačke u kutiji kako bi predstavio taj koncept. Ako je kutija zatvorena, i kutija takođe sadrži radioaktivni materijal, mačka može biti živa ili mrtva. Jedan način tumačanja situacije jeste da je mačka i živa i mrtva. Tek otvaranje kutije potvrđuje stanje mačke.

Taj paradoks je gruba analogija za izuzetnu prirodu kvantnih čestica. Pošto su izmerene, one gube svoja neobična svojstva, što čini proširenje kvantne mreže vrlo teškim.

„Normalne mreže mere podatke da bi stigli do krajnje destinacije. Sa čisto kvantnim mrežama to ne možete uraditi jer merenje čestica uništava kvantno stanje“, kažu autori studije.

Radi prevazilaženja ove prepreka, inženjeri su razvili Q-chip (kvantno-klasični hibridni internet putem fotonike) radi koordinacije „klasičnih“ signala, sastavljenih od regularnih tokova svetlosti, i kvantnih čestica. Klasični signal putuje neposredno ispred kvantnog signala, što omogućava merenje klasičnog signala za usmeravanje, ostavljajući kvantni signal nedirnut.

U suštini, novi sistem je kao voz – uparuje regularne svetlosne lokomotive sa kvantnim teretom. Klasični signal je poput motora, a kvantne informacije idu iza u zapečaćenim kontejnerima, opisuju naučnici.

Ne možete otvoriti kontejnere bez uništenja njihovog sadržaja, ali motor osigurava da čitav voz stigne tamo gde treba. Pošto klasični motor može da se izmeri, ceo sistem može da sledi isti internet protokol koji upravlja današnjim internet saobraćajem.

Ugrađujući kvantne informacije u poznati IP okvir, pokazali smo da kvantni internet može da govori bukvalno isti jezik kao klasični internet. Ta kompatibilnost je ključ proširenja pomoću postojeće infrastrukture, kažu inženjeri.

Prilagođavanje kvantne tehnologije stvarnom svetu

Jedan od najvećih izazova u transmisiji kvantnih čestica putem komercijalne infrastrukture jeste varijabilnost transmisionih linija u stvarnom svetu. Za razliku od laboratorijskih okruženja, koja mogu da zadrže idealne uslove, komercijalne mreže se često suočavaju sa promenama temperature, zahvaljujući klimi, kao i vibracijama usled ljudskih aktivnosti kao što su gradnja i transport, da ne pominjemo seizmičku aktivnost.

Da bi izašli na kraj s tim, istraživači su razvili metod korekcije grešaka koji koristi činjenicu da će interferencija sa klasičnim „zaglavljem“ uticati na kvantni signal na sličan način.

Pošto klasični signal može da se izmeri bez oštećenja kvantnog signala, može se zaključiti koje korekcije su potrebne kvantnom signalu bez merenja tog signala, održavajući kvantno stanje.

Sistem je u testovima sačuvao pouzdanost transmisije iznad 97%, pokazujući da može prevazići šum i nestabilnost koji obično uništavaju kvantne signale van laboratorije. I pošto je čip napravljen od silicijuma i putem ustanovljenih tehnika – može se masovno proizvoditi, čineći novi pristup lakim za proširenje.

Glavna prepreka proširenju kvantnih mreža van gradski oblasti je to što kvantni signali još ne mogu biti pojačani bez uništenja njihove sprege.

Iako su neki istraživači pokazali da „kvantni ključevi“, specijalni kodovi za ultrasigurnu komunikaciju, mogu da putuju daleko koristeći obične kablove sa optičkim vlaknima, ti sistemi koriste slabu koherentnu svetlost za generisanje nasumičnih brojeva koji se ne mogu kopirati – vrlo efikasna tehnika za bezbednosne primene, ali nedovoljna za povezivanje stvarnih kvantnih procesora.

Prevazilaženje ovog izazova zahtevaće nove uređaje, ali studija sa Pensilvanijskog univerziteta predstavlja značajan rani korak: pokazujući kako čip može da prenosi kvantne signale preko postojećih komercijalnih optičkih kablova koristeći internetsko usmeravanje paketa, dinamično prebacivanje i redukciju grešaka koja se obavlja na čipu – putem istih protokola koji kontrolišu današnje mreže.

„Ovo izgleda kao rani dani klasičnog interneta u 1990-im, kad su univerziteti prvi povezali svoje mreže. To je otvorilo vrata transformacijama koje niko nije mogao da predvidi. Kvantni internet ima isti potencijal“, kažu autori studije.

(Telegraf Nauka/Phys.org)