Инженеры впервые успешно передали квантовые сигналы по коммерческим оптоволоконным линиям, используя стандартные интернет-протоколы. Этот эксперимент доказал, что квантовые сети могут функционировать на той же инфраструктуре, что и традиционный интернет. Испытания проводились на оптоволоконной сети кампуса Verizon.

Прорыв в квантовых коммуникациях

Команда Университета Пенсильвании разработала миниатюрный чип под названием Q-chip, который координирует передачу как квантовых, так и классических данных, используя те же протоколы, что и современный интернет. Это открывает путь к созданию «квантового интернета», способного объединять квантовые компьютеры для совместной обработки информации. Впервые на коммерческой линии было показано, что чип может не только передавать квантовые сигналы, но и автоматически корректировать помехи, объединять квантовые и классические данные в стандартные интернет-пакеты и маршрутизировать их с помощью существующих систем адресации и управления.

Как работают квантовые сигналы

Квантовые сигналы основаны на свойствах «запутанных» частиц, которые мгновенно влияют друг на друга при изменении состояния одной из них. Использование этого эффекта позволяет квантовым компьютерам объединять вычислительные ресурсы для решения задач, недоступных даже самым мощным современным суперкомпьютерам.

Технология Q-chip и ее особенности

Одной из главных проблем масштабирования квантовых сетей является то, что измерение квантовых частиц разрушает их состояние. Для решения этой задачи был создан чип Q-chip, который координирует передачу классических сигналов (обычного света) и квантовых частиц. Классический сигнал отправляется немного раньше квантового, что позволяет использовать его для маршрутизации без нарушения квантового состояния.

Система работает по принципу железнодорожного состава: классический «заголовок» действует как локомотив, а квантовая информация — как груз в запечатанных контейнерах. Благодаря этому можно использовать стандартные интернет-протоколы (IP) для передачи квантовых данных по существующей инфраструктуре.

Преодоление помех и обеспечение точности

Передача квантовых частиц по коммерческим линиям требует учета влияния внешних факторов, таких как температура, вибрации и сейсмическая активность. Исследователи разработали метод коррекции ошибок, который использует влияние помех на классический сигнал для внесения корректировок в квантовый сигнал без его измерения, что сохраняет квантовое состояние.

В ходе испытаний система обеспечила точность передачи выше 97%, что подтверждает возможность преодоления помех и нестабильности, характерных для коммерческих сетей. Чип изготовлен из кремния с применением стандартных технологий, что позволяет массовое производство и масштабирование решения.

Перспективы масштабирования

В текущем эксперименте сеть состояла из одного сервера и одного узла, соединённых между двумя зданиями с помощью километра оптоволоконного кабеля Verizon. Для расширения сети достаточно изготовить дополнительные чипы и подключить их к существующим линиям связи.

Основным препятствием для масштабирования квантовых сетей за пределы городских районов остаётся невозможность усиления квантовых сигналов без разрушения их запутанности. Хотя уже существуют системы передачи «квантовых ключей» для сверхбезопасной связи на большие расстояния, они не подходят для объединения квантовых процессоров.

Значение исследования

Работа Университета Пенсильвании стала важным шагом вперёд, показав, что чип способен передавать квантовые сигналы по коммерческим линиям с использованием интернет-пакетной маршрутизации, динамического переключения и коррекции ошибок, совместимых с существующими протоколами.

Эксперимент был проведён в Школе инженерии и прикладных наук Университета Пенсильвании при поддержке Gordon and Betty Moore Foundation, Office of Naval Research, National Science Foundation, Olga and Alberico Pompa endowed professorship и PSC-CUNY award. В исследовании также участвовали сотрудники Университета Пенсильвании и City University of New York.