Jeszcze w lutym 2020 roku naukowcy z Argonne National Laboratory amerykańskiego Departamentu Energii i Uniwersytetu w Chicago odkryli, że osiągnęli splątanie kwantowe – w którym zachowanie pary dwóch małych cząstek zostaje związane, tak że ich stany są identyczne – stało się to w sieci o długości 83,7 km z kwantami. pętle na przedmieściach Chicago.
Możesz się zastanawiać, o co w tym całym zamieszaniu, jeśli nie jesteś naukowcem zaznajomionym z mechaniką kwantową – czyli zachowaniem się materii i energii w najmniejszej skali rzeczywistości, która jest szczególnie różna od otaczającego nas świata.
Eksploracja naukowców może być ważnym krokiem w rozwoju nowej, znacznie potężniejszej wersji Internetu w ciągu najbliższych kilku dekad. Zamiast bitów używanych we współczesnej sieci, które można wyrazić tylko jako 0 lub 1, przyszły Internet kwantowy będzie używał kubitów informacji kwantowej, które mogą przyjmować nieskończoną liczbę wartości. (Kubit to jednostka informacji dla komputera kwantowego).
Dałoby to kwantowemu internetowi większą przepustowość, pozwalając mu łączyć ultra-potężne komputery kwantowe i inne urządzenia oraz uruchamiać aplikacje, które po prostu nie są możliwe w naszym Internecie.
„Kwantowy Internet stanie się platformą kwantowego ekosystemu, w której komputery, sieci i czujniki wymieniają informacje w całkowicie nowy sposób, w którym wykrywanie, komunikacja i obliczenia dosłownie współpracują ze sobą jako jedno” – wyjaśnia David Aushalom, profesor spintroniki i informacji kwantowych w szkole. Inżynieria molekularna autorstwa Pritzkera z Uniwersytetu w Chicago i starszy pracownik naukowy w Argonne, który kierował projektem pętli kwantowej.
Co to jest Internet Kwantowy?
Dlaczego więc go potrzebujemy i co on robi? Po pierwsze, internet kwantowy nie zastępuje zwykłego internetu, który mamy dzisiaj. Raczej jest to dodatek. Mógłby zająć się niektórymi problemami, które zakłócają obecny internet. Na przykład internet kwantowy zapewni lepszą ochronę przed hakerami i cyberprzestępcami. W tej chwili, jeśli Alice w Nowym Jorku wyśle wiadomość do Boba w Kalifornii przez Internet, wiadomość ta będzie podróżować mniej więcej w linii prostej od wybrzeża do wybrzeża. Po drodze sygnały niosące wiadomość są degradowane; repeatery odczytują sygnały, wzmacniają i korygują błędy. Ale ten proces pozwala hakerom „złamać” i przechwycić wiadomość.
Wiadomości kwantowe nie mają tego problemu. Sieci kwantowe wykorzystują cząsteczki fotonów światła do wysyłania wiadomości odpornych na cyberataki. Według Raya Newella, badacza z Los Alamos National Laboratory, zamiast szyfrować wiadomość za pomocą złożoności matematycznej, będziemy polegać na specjalnych zasadach fizyki kwantowej. W przypadku informacji kwantowych „nie można ich kopiować ani dzielić, ani nawet patrzeć na nie bez zmiany”. W rzeczywistości zwykła próba przechwycenia wiadomości niszczy wiadomość, jak zauważa dziennik Wired. Dzięki temu wszystko byłoby znacznie bezpieczniejsze niż to, co jest obecnie dostępne.
„Najłatwiejszym sposobem zrozumienia pojęcia internetu kwantowego jest kwantowa teleportacja” – mówi Sumit Khatri, badacz z Louisiana State University w Baton Rouge. Wraz z kolegami napisał artykuł o możliwości powstania kosmicznego internetu kwantowego, w którym satelity będą nieprzerwanie nadawać splątane fotony na powierzchnię Ziemi, jak opisano w artykule Przegląd technologii.
„Teleportacja kwantowa nie jest podobna do tego, co umysł nie-naukowca może wymyślić, biorąc pod uwagę to, co widzi w filmach science fiction” – mówi Khatri. „W teleportacji kwantowej dwie osoby, które chcą się komunikować, dzielą ze sobą parę splątanych cząstek kwantowych. Następnie, poprzez serię operacji, nadawca może wysłać dowolną informację kwantową do odbiorcy (chociaż nie można tego zrobić szybciej niż prędkość światła). Ten zbiór wspólnych uwikłań między parami ludzi na całym świecie zasadniczo stanowi kwantowy Internet. Głównym pytaniem badawczym jest, jak najlepiej rozprowadzić te splątane pary wśród ludzi rozsianych po całym świecie ”.
Kiedy będzie można to zrobić na dużą skalę, Internet kwantowy stanie się tak zdumiewająco szybki, że zdalne zegary zostaną zsynchronizowane około tysiąc razy dokładniej niż najlepsze dostępne obecnie zegary atomowe, według magazynu Cosmos. Dzięki temu nawigacja GPS byłaby znacznie dokładniejsza niż obecnie, a pole grawitacyjne Ziemi byłoby tak szczegółowe, że naukowcy mogliby zauważyć pulsację fal grawitacyjnych. Może również pozwolić fotonom na teleportację z odległych teleskopów światła widzialnego po całej Ziemi i połączenie ich w gigantyczne wirtualne obserwatorium.
„Potencjalnie można było zobaczyć planety wokół innych gwiazd” – mówi Nicholas Peters, lider zespołu zajmującego się informacją kwantową w Oak Ridge National Laboratory.
Problemy budowy internetu kwantowego.
Ale zanim to się stanie, naukowcy muszą dowiedzieć się, jak zbudować Internet kwantowy, a biorąc pod uwagę dziwną naturę mechaniki kwantowej, nie będzie to łatwe. „W klasycznym świecie można kodować informacje i przechowywać je, ale nie ulegają one zniszczeniu” – mówi Peters. „W świecie kwantowym kodujesz informacje, które niemal natychmiast zaczynają się rozpadać”.
Innym problemem jest to, że ponieważ ilość energii, która odpowiada informacjom kwantowym, jest naprawdę niewielka, trudno jest powstrzymać ją od interakcji ze światem zewnętrznym. Obecnie „w wielu przypadkach systemy kwantowe działają tylko w bardzo niskich temperaturach” – mówi Newell. „Inną alternatywą jest praca w próżni”.
Newell mówi, że aby stworzyć kwantową funkcję internetową, potrzebujemy sprzętu, który nie został jeszcze opracowany. Dlatego trudno dokładnie określić, kiedy zostanie uruchomiony Internet kwantowy, chociaż niektórzy naukowcy sugerują, że może to nastąpić już w 2030 roku.
