Многие квантовые исследователи работают над созданием технологий, которые позволят реализовать глобальный квантовый интернет. В таком интернете любые два пользователя на Земле смогут проводить масштабные квантовые вычисления и безопасно общаться с помощью квантовой запутанности. Хотя для этого требуется гораздо больше технологических достижений, команде исследователей из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае удалось объединить две независимые сети, приблизив мир к созданию квантового интернета.
Истинный глобальный квантовый интернет
Для создания настоящего глобального квантового интернета потребуется взаимосвязь между множеством сетей, и это оказалось гораздо более сложной задачей для квантовых сетей, чем для классических. Исследователи продемонстрировали возможность подключения квантовых компьютеров в рамках одной сети, но объединение нескольких пользователей остаётся серьёзной проблемой.
Полностью подключённые сети с плотным мультиплексированием по длине волны (DWDM) были созданы, но они имеют проблемы с масштабируемостью и сложностью.
Однако исследовательская группа, участвовавшая в новом исследовании, опубликовала в Nature Photonics результаты, в которых сообщается об объединении двух независимых сетей с 18 различными пользователями. Все 18 пользователей могут безопасно общаться, используя протоколы на основе запутанности. Это представляет собой наиболее сложную на сегодняшний день многопользовательскую квантовую сеть.
Метод объединения сетей
Для объединения двух систем исследователи использовали метод, называемый «многопользовательским обменом запутанностью». Он начинается с двух отдельных сетей по 10 узлов. Изначально узлы внутри каждой сети уже запутаны друг с другом, но не с другой сетью. Затем один узел из каждой сети используется для слияния двух сетей, фактически выводя их из множества и оставляя остальные 18 узлов подключёнными друг к другу.
Для запутывания двух сетей используются измерения состояния Белла. Однако само измерение в квантовой механике приводит к тому, что два измеренных фотона «выталкиваются» путём «коллапса» их волновых функций. Вот почему после обмена запутанностью можно использовать только 18 из 20 узлов.
Авторы исследования пишут: «В конечном итоге две полностью подключённые сети по 10 пользователей объединяются в сеть из 18 пользователей на уровне квантовой корреляции после многопользовательского обмена запутанностью. Все конечные пользователи могут общаться друг с другом, используя протокол распределения квантового ключа на основе запутанности».
Команда также разработала схему активного временного и волнового мультиплексирования (ATWM) для проведения эксперимента, вместо DWDM, как в предыдущих исследованиях. Они проверили качество запутывания с помощью измерений двухфотонной интерференции и точности. Их измерения показали, что они достигли высокого качества запутывания с точностью выше 84% и видимостью интерференции выше 75% (до 90,7%), по сравнению с 50% в классических системах.
Хотя объединение независимых сетей является большим достижением в исследованиях квантовых коммуникаций, для масштабирования до ещё более крупных сетей или сетей на большие расстояния потребуются дальнейшие достижения. Одним из серьёзных препятствий являются квантовые повторители, которые позволяют сигналам проходить большее расстояние без потери важных фотонов и необходимы для объединения сетей большего масштаба.
Авторы исследования пишут: «Наиболее важной задачей для реализации практических сетей квантовых повторителей на большие расстояния является установление надёжной запутанности между удалёнными узлами квантовой памяти. Хотя за последние годы в области квантовой памяти был достигнут большой прогресс, всё ещё сложно реализовать крупномасштабные и дальнемагистральные практические сети квантовой связи с использованием квантовых повторителей с возможностями современных технологий».
Тем не менее команда с оптимизмом смотрит на свой прогресс, заявляя: «Наш подход открывает привлекательные возможности для установления квантовой запутанности между удалёнными узлами в разных сетях, что облегчает универсальные квантовые информационные соединения и имеет большое применение при построении крупномасштабных междугородних сетей квантовой связи».
© 2025 Science X Network
More from Optics