От Санта-Барбары, Калифорния, до Хэфэя, Китай, ученые разрабатывают новый тип компьютера, который делает современные машины более похожими на игры.
Используя таинственные возможности квантовой механики, технология будет выполнять задачи за считанные минуты, которые даже суперкомпьютеры не могли выполнить в течение тысяч лет. Осенью 2019 года Google представила экспериментальный квантовый компьютер, который показывает, что это возможно. Два года спустя лаборатория в Китае сделала то же самое.
Но квантовые вычисления не смогли бы реализовать свой потенциал без помощи еще одного технологического прорыва. Он назвал это «квантовым интернетом» — компьютерной сетью, которая может передавать квантовую информацию между удаленными машинами.
В Делфтском технологическом университете в Нидерландах группа физиков сделала важный шаг к такой компьютерной сети будущего, используя технику, называемую квантовой телепортацией, для отправки данных в три физических места. Раньше это было возможно только с двумя.
Новый эксперимент показывает, что ученые могут расширить квантовую сеть на все большее количество сайтов. «Сейчас мы строим небольшие квантовые сети в лаборатории», — сказал Рональд Хэнсон, физик из Делфта, возглавляющий команду. «Но идея состоит в том, чтобы в конечном итоге построить квантовый интернет».
Их исследование, опубликованное на этой неделе в статье, опубликованной в научном журнале Nature, показывает силу явления, которое Альберт Эйнштейн когда-то считал невозможным. Квантовая телепортация — то, что он назвал «удаленным запугивающим действием» — может передавать информацию между местами, не перемещая физическую материю, которая ее удерживает.
Эта технология может коренным образом изменить способ передачи данных из одного места в другое. Он основан на более чем столетнем исследовании квантовой механики, области физики, которая управляет субатомным миром и ведет себя не так, как все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Квантовая телепортация не только передает данные между квантовыми компьютерами, но и делает это таким образом, что никто не может их перехватить.
«Это означает не только то, что квантовый компьютер может решить вашу проблему, но и то, что он не знает, в чем заключается проблема», — сказала Трейси Элеонора Нортап, исследователь из Института экспериментальной физики Университета Инсбрука, которая также занимается квантовыми исследованиями. телепортация. «Сегодня это так не работает. Google знает, что вы используете на своих серверах».
Квантовый компьютер фиксирует странное поведение некоторых вещей, если они очень малы (например, электрон или частица света) или чрезвычайно холодны (например, странный металл охлаждается почти до абсолютного нуля или минус 460 градусов по Фаренгейту). В этих случаях один объект может одновременно вести себя как два отдельных объекта.
Традиционные компьютеры выполняют вычисления, обрабатывая «биты» информации, причем каждый бит содержит либо 1, либо 0. Используя специфическое поведение квантовой механики, квантовый бит или кубит может хранить комбинацию 1 и 0 — что-то вроде как Вращающаяся монета таит в себе заманчивую возможность того, что она появится либо орлом, либо решкой, когда наконец упадет на стол.
Это означает, что два кубита могут хранить сразу четыре значения, три кубита — восемь, четыре — 16 и так далее. По мере роста числа квантовых кубитов квантовый компьютер становится все более и более мощным.
Исследователи полагают, что однажды эти устройства могут ускорить создание новых лекарств, ускорить развитие искусственного интеллекта и взломать шифрование, защищающее компьютеры, жизненно важные для национальной безопасности. Во всем мире правительства, академические лаборатории, стартапы и технологические гиганты тратят миллиарды долларов на изучение технологий.
В 2019 году Google объявила, что ее устройства достигли того, что ученые называют «квантовым превосходством», что означает, что они могут выполнять экспериментальную задачу, которая была бы невозможна с помощью обычных компьютеров. Но большинство экспертов считают, что пройдет как минимум еще несколько лет, прежде чем квантовый компьютер сможет сделать что-то полезное, чего вы не можете сделать с помощью другой машины.
Часть проблемы заключается в том, что кубит ломается или «разбирается», если вы читаете информацию из него — он становится обычным битом, способным хранить только 0 или 1, но не оба. Но, связывая вместе несколько кубитов и разрабатывая способы защиты от декогеренции, ученые надеются создать мощные и практичные машины.
В конечном счете, в идеале, эти сети должны быть объединены с сетями, которые могут передавать информацию между узлами, что позволяет использовать ее из любого места, точно так же, как сервисы облачных вычислений, такие как Google и Amazon, сегодня делают вычислительную мощность широкодоступной.
Но это сопряжено со своими проблемами. Отчасти из-за декогеренции квантовую информацию нельзя копировать и передавать по традиционной сети. Альтернативой является квантовая телепортация.
Хотя он не может перемещать объекты из одного места в другое, он может передавать информацию, используя квантовое свойство, называемое «запутанностью»: любое изменение состояния квантовой системы, которое немедленно влияет на состояние другой системы, находящейся далеко.
«После запутывания вы больше не можете описывать эти состояния по отдельности», — сказал Нортап. «По сути, теперь это одна система».
Эти запутанные системы могут быть электронами, легкими частицами или другими вещами. В Нидерландах Хэнсон и его команда использовали так называемый вакантный азотный центр — небольшое пустое пространство в синтетическом алмазе, где могут задерживаться электроны.
Команда построила три такие квантовые системы, названные Алисой, Бобом и Чарли, и соединила их с помощью волоконно-оптических нитей. Затем ученые могут запутать эти системы, посылая между ними отдельные фотоны — частицы света.
Сначала исследователи запутали два электрона — один принадлежит Алисе, а другой — Бобу. На самом деле электронам был дан один и тот же спин, и, таким образом, они были соединены или запутаны в общем квантовом состоянии, каждый из которых хранит одну и ту же информацию: определенную комбинацию 1 и 0.
Затем исследователи могут перенести это квантовое состояние на другой кубит, ядро углерода, в синтетическом алмазе Боба. Это освободило электрон Боба, и исследователи смогли затем связать его с другим электроном, принадлежащим Чарли.
Выполняя определенную квантовую операцию над каждым из кубитов Боба — электроном и ядром углерода — исследователи могут затем склеить две запутанности вместе: Алиса и Боб приклеены к Бобу и Чарли.
Результат: Алиса запуталась с Чарли, что позволило мгновенно телепортировать данные через все три узла.
Когда данные перемещаются таким образом, фактически не преодолевая расстояние между узлами, они не могут быть потеряны. «Информация может быть введена на одну сторону связи, а затем показана на другой стороне», — сказал Хэнсон.
Информация также не может быть перехвачена. Квантовый интернет будущего, основанный на квантовой телепортации, может обеспечить новый тип теоретически неуязвимой криптографии.
В новом эксперименте узлы сети находились недалеко друг от друга — всего около 60 футов. Но предыдущие эксперименты показали, что квантовые системы могут запутываться на больших расстояниях.
Есть надежда, что после нескольких лет исследований квантовая телепортация станет жизнеспособной на многие мили. «Теперь мы пытаемся сделать это за пределами лаборатории», — сказал Хэнсон.
Эта статья первоначально появилась в Газета «Нью-Йорк Таймс.
More Stories
Ученые раскрыли секреты потери морских звезд и возобновления роста конечностей
Комплексное мероприятие сообщества людей с деменцией в Ратуте, посвященное Всемирному месяцу борьбы с болезнью Альцгеймера.
Новое исследование массивного надвига предполагает, что следующее большое землетрясение может быть неизбежным