Да/нет Квантовый Интернет

Кошка была заперта в железном ящике вместе с счетчиком Гейгера, немного радиоактивного материала, и ядовитым химикатом. Радиоактивный материал был до того ничтожным, хватало всего на один час может быть. При ослаблении радиации до определенного уровня, счетчик Гейгера обнаруживал это падание радиации и запускал острый молоток, который разбивал стеклянный сосуд, где содержался ядовитый химикат. Проще говоря, исследователь Schrödinger проводил данный эксперимент, чтобы возразить принятому объяснению квантовой механики. Он утверждал, что если оставить на час железный ящик с кошкой и остальными предметами внутри закрытой, то не известно если кошка будет «мертва или жива» пока не откроете ящик. Точно также с научной теорией, никто не может сказать, если теория верна пока не испытана и доказана.

Также ученые спорят о возможности создания квантового интернета, интерпретируя возможности от использования свойства квантовой механики как  соединения или запутывания (связывание) дальних предметов и телепортаций информации между ними.  Сторонники утверждают, что создание квантового интернета может приоткрыть колоссальные возможности, которые не под силу обыкновенному интернету как создание высокоточных телескопов, используемые разными обсерваториями, и даже новые пути обнаружения гравитационных волн.

Квантовые ключи

Первые попытки создания квантовых узлов коммуникаций были предприняты в 1970-х молодым ученым из Колумбийского Университета, Нью Йорк, Стефенем Вейзнером. Он видел один из основных принципов квантовой механики – невозможность измерения свойства системы без его изменения.

Вейзнер предположил, что информация может быть закодировано в состояний предметов таких как изолированные атомы, вращение которых может показывать верхние или нижние состояния – как 0 или 1 классических битов – но также может быть в обеих состояниях одновременно. Такие единицы квантовой информации называются квантовыми битами (кубитами). Вейзнер предложил, что нельзя измерить кубиты без изменения их состояния, также нельзя сделать точную копию или клонировать. Иначе, кто-то смог бы вытащить информацию о состояний первоначального кубита без повреждения путем измерения его клона. Это стало настоящей находкой для повышения безопасности коммуникаций, так как хакер не сможет вытащить информацию без оставления своего следа.  

Позже, вдохновленный находкой Вейзнера, ученые из IBM Чарлз Беннет и Гилз Брассард из Монреальского Университета, Канада, предложили схему по которой двое участников смогут создать не поддающееся взлому шифровальный ключ известный только им самим. Схема основано на факте, что свет может быть поляризован, что даже электромагнетические волны могут качаться в горизонтальном или вертикальном плоскостях. Один пользователь может превращать  любую последовательность 1 или 0 в квантовый ключ зашифрованный в этих поляризованных состояниях и послать потоки другому пользователю.  Последовательно, получатель измеряет ключ и устанавливает, что передача не была перехвачена посторонним.  Уверенные в безопасности ключа пользователи могут зашифровать любые сообщения сделанные в нормальных битах и посылать сообщения друг другу по обыкновенному интернету. Веннет продемонстрировал распределение  такого квантового ключа, и теперь квантовый ключ продается большим финансовым институтам и правительственным организациям.

Как мы писали раньше, прошлогодний запуск квантового спутника китайскими учеными позволил провести эксперимент передачи квантовых ключей от Пекина до Венны, затем бортовой компьютер комбинируя эти ключи смог создать новый ключ, который был послан вниз на Землю, с помощью которого стало возможным узнать секретные ключи других. Получилось так, что одна команда смогла расшифровать информацию зашифрованной другой командой.

Квантовые соединения

Для создания сети необходимо иметь доверительные узлы, но чем больше узлов, тем больше вероятности проникновения посторонних в один из узлов. В этой ситуаций спутники дают возможность сократить количество узлов на Земле, и уменьшить намного такую вероятность. Место квантовой физики в этом процессе только в созданий ключей шифрования, затем вся информация посылается через обыкновенный интернет. Чисто квантовая сеть должна быть в состояний гарантировать запутанность (связанность) и телепортацию квантовой информаций на дальние расстояния без участия потенциально рискованных узлов.  В таком случае, строящиеся квантовые компьютеры должны быть в состояний передавать и хранить информацию в квантовых облаках. “ В настоящий момент можно сказать, что вы сможете построить квантовый компьютер объемом в пару сотен кубитов, но за пределами этого, только использование модульного подхода с помощью квантовой коммуникаций,”- говорит физик Михаил Лукин из Гарвардского Университета.

Создание квантового облака может потребовать наличие нескольких самых сильных квантовых компьютеров, доступ к которым можно будет осуществить через квантовый интернет. Звучат разного рода предложения использования приложений на квантовом интернете как аукционы, хранение результатов выборов, контрактные переговоры, высоко-частотные трейдерские сделки. Главное, у всех квантовый феномен вызывает уважение из-за высокой безопасности чем обыкновенные вычислительные возможности, но ожидается, что под самым большим влиянием может оказаться наука.

О безопасности

Для передачи информаций закодированные в кубиты необходимо строить квантовые сети для телепортаций этой информаций от одного пользователя к другому.  Для разъяснения сути телепортаций представьте себе Алису и Боба передающие информацию друг другу (см. схему внизу). У Алисы есть кубит в виде иона, она хочет передать информацию содержащуюся в этом ионе Бобу. К счастью, у Алисы и Боба имеются частицы “посредники”, также кубиты, которые запутаны с друг другом. Если Алиса сможет спутать свой кубит с частицей “посредником”, по расширению, также становится запутанным и частица Боба. Для этого, Алиса проделывает особенное измерение соединения на своих двух частицах. Затем Алиса делится с результатами этого измерения с Бобом. Для завершения процесса телепортации, Боб использует информацию для манипуляций своей частицей, и добивается того же состояния в каком частица Алисы была изначально.

Не имеет значения откуда Алиса и Боб достали частиц “посредников”, они могут быть фотонами посланными другой стороной, Алиса и Боб могли спутать свои кубиты путем отправки своих фотонов в другую третью сторону для их взаимодействия.  Прелесть квантовой телепортации заключается в том, что квантовая информация технически не гуляет по сети, только фотоны гуляют по ней и устанавливает связь между Алисой и Бобом, чтобы квантовая информация была передана позже. Если одна пара фотонов не сможет установить связь, то другая пара сможет, и квантовая информация не может быть потеряна, если даже сами фотоны были потеряны.

Соединение и повторение

Квантовый интернет может быть в состояний производить запутанность по востребованию между двумя пользователями, и это может проделываться путем отправления фотонов через оптико-волоконные сети и спутниковую связь. Соединение дальних дистанций может затребовать технологию расширяющую запутанность путем ретрансляции от пользователя к пользователю через промежуточные точки.

Михаил Лукин предложил использовать повторители (ретрансляторы) в 2001 для хранения кубитов и производства простых операций с ними по запутыванию одного кубита на выходе и с другим на входе по движению потока.  Повторяющееся применение такого процесса ‘обмена запутанности’ в сети в конечном итоге может создать запутанность между двумя пользователями.

Теперь когда уже имеются кирпичики для строительства квантовой сети, системные инженера сталкиваются главной проблемой работы, и многие утверждают, что не нужно пытаться сильно рекламировать возможности создания квантовой сети, и только время покажет насколько ожидания квантового интернета может материализоваться. Известно одно, работа пошла, спутник кружится на орбите, и процесс нельзя остановить.

Подробно : https://www.nature.com/articles/d41586-018-01835-3