В 1960-х годах правительство США профинансировало серию экспериментов по разработке методов перемещения информации с одного компьютера на другой. Опыты прошли успешно и вскоре сеть связала исследовательские учреждения по всей стране, заложив основы того, что станет Интернетом и навсегда изменит мир. Сейчас, 60 лет спустя, Министерство энергетики США стремится сделать что-то подобное снова.
В бюджетном запросе на 2021 финансовый год (начнется 1 октября), который в настоящее время рассматривается Конгрессом, предлагается сократить общее финансирование научных исследований почти на 10%, но увеличить расходы на квантовую информатику примерно на 20%, до 237 миллионов долларов. Из них Министерство энергетики попросило 25 млн. долларов на ускорение развития квантового интернета. Такая сеть могла бы использовать контринтуитивное поведение частиц для обмена информацией совершенно новыми способами, с потенциалом для переосмысления областей, включая кибербезопасность и материаловедение.
В то время как традиционный Интернет для общего пользования никуда не денется, квантовая сеть дала бы решающие преимущества для определенных приложений: исследователи могли бы использовать ее для разработки лекарств и материалов, например, путем моделирования поведения атомов на объединенных в сеть квантовых компьютерах, а финансовые учреждения и правительства могли бы извлечь выгоду из кибербезопасности нового уровня. Многие страны реализуют программы квантовых исследований, и с учетом предложения по бюджету на 2021 год администрация Трампа стремится к наращиванию этих усилий.
"Такой уровень финансирования позволит нам начать разработку основ для создания сложных, практичных и высокоэффективных квантовых сетей, — говорит Дэвид Авшалом (David Awschalom), квантовый инженер из Чикагского университета. — Это важно и чрезвычайно важно".
В августе 2016-го с космодрома Цзюцюань был запущен первый в мире квантовый спутник "Мо-Цзы". Аппарат обошелся Китайской академии наук почти в сто миллионов долларов. Благодаря спутнику китайцы ушли далеко вперед в области квантового шифрования и безопасной передачи данных.
КНР уже реализовала квантовое шифрование между коммуникациями в определенных городах, но до появления полностью квантовых сетей, охватывающих целые страны, еще десятилетия, считают эксперты. Создание таких сетей потребует реинжиниринга квантового эквивалента маршрутизаторов, жестких дисков и компьютеров с нуля — фундаментальные работы уже ведутся.
В современном интернет-трафике, входящем и исходящем с компьютеров, смартфонов, планшетов, колонок, термостатов и других девайсов, единицей измерения информации является бит. Квантовый интернет будет основываться на принципиально другой единице информации, известной как квантовый бит, или кубит.
Кубиты представляют собой совсем другой "язык", основанный на поведении атомов, электронов и других частиц — объектов, подчиняющихся причудливым правилам квантовой механики. Эти объекты ведут более неопределенный образ жизни, чем их аналоги, используемые для классических вычислений.
В классическом вычислительном устройстве информация хранится в виде бинарного кода, который обладает двумя базовыми состояниями (бит может принимать значение нуля и единицы) и может находиться лишь в каком-то одном из них. Но значение кубита может быть любым из множества возможных и неизвестно до тех пор, пока не будет измерено. Это явление называется суперпозицией.
Благодаря суперпозиции кубит может находиться в двух и более состояниях одновременно. Благодаря этому квантовые компьютеры потенциально способны демонстрировать высочайшую производительность в вычислениях. Важной вехой для квантовых технологий считается достижение так называемого квантового превосходства (quantum supremacy) — способности производить вычисления быстрее классических систем.
В 2017 году состоялся первый квантовый видео-звонок – между президентом Китайской академии наук Чунли Баи и президентом Австрийской академии наук Антоном Зеилингером. Главная особенность этого вида связи – ее шифрование, которое невозможно взломать. Сверхзащищенный звонок осуществлялся на расстояние 7600 км. Возможности новой технологии были продемонстрированы благодаря спутнику, который китайские ученые запустили в 2016 году. В основе инновации лежит феномен квантовой запутанности, по которому квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Эта зависимость сохраняется, даже если удалить объекты друг от друга – например, увести один из них в другую галактику.
Квантовая информатика объединяет эти и другие явления, обещая новый, более богатый способ обработки информации — по аналогии с переходом от двухмерной к трехмерной графике.
Квантовые вычислительные системы считаются одной из самых перспективных технологий на данный момент. Предполагается, что они станут основой для полноценного искусственного интеллекта, смогут упростить аэрокосмические и военные системы, смоделировать новые материалы и лекарства. Также не исключено, что в будущем квантовые системы смогут улучшить игровые проекты в виртуальной реальности, моделируя любые физические законы в вымышленных мирах.
Но хотя технологические гиганты, стартапы и исследовательские лаборатории вложили время и усилия в разработку квантовых устройств, сегодня массовое производство квантовых компьютеров всё ещё не налажено. В мире практически нет компьютеров, которые могли бы делать то, чего не может сделать классический компьютер.
Индустрия еще не достигла этого порога, поскольку квантовые вычисления все еще находятся на ранней стадии развития. По оценкам экспертов, сейчас её состояние похоже на эру классических компьютеров 1950-х годов.
Как и в 1960-х годах, Министерство энергетики США сеет семена для будущей сети в своих национальных лабораториях. Под пригородами западного Чикаго лежат 52 мили оптического волокна, протянувшегося от Аргонской национальной лаборатории. В начале этого года Дэвид Авшалом наблюдал за первыми успешными экспериментами системы.
Аналогичные эксперименты проводятся и на восточном побережье, куда исследователи отправили фотоны по оптоволоконным кабелям, соединяющим Брукхейвенскую национальную лабораторию в Нью-Йорке с Университетом Стоуни Брук, расположенном на расстоянии около 11 миль. Ученые Брукхейвена также тестируют беспроводную передачу запутанных фотонов на аналогичном расстоянии по воздуху.
Квантовая коммуникация требует передачи запутанных состояний на большие расстояния. В последние десятилетия был достигнут заметный прогресс в создании масштабной запутанности, при которой фотоны передаются между узлами по оптоволокну или через спутник. Однако серьезные потери при передаче состояний, которые возникают из-за неидеальной среды, не дают ученым правильным образом распределить фотоны между узлами.
Такая отправка и получение запутанных фотонов представляет собой эквивалент квантовых маршрутизаторов, но исследователям в будущем нужен будет и квантовый жесткий диск — какой-то способ сохранить информацию.
Когда фотоны переносят информацию из сети, квантовая память будет хранить эти кубиты в виде запутанных атомов, так как текущие жесткие диски используют магнитные домены для хранения битов информации. Авшалом ожидает, что группы из Аргонны и Чикагского университета будут иметь стабильные ячейки памяти квантового компьютера уже этим летом.
Исследователям также придется изобрести квантовый ретранслятор — устройство, которое будет усиливать ослабленный входящий сигнал и усиливать его на расстояние порядка 160 километров. Это самое главное препятствие на пути к квантовому интернету. К сожалению, тот же принцип, что делает такую технологию передачи информации безопасной, не позволяет восстанавливать потерянный по пути сигнал, как это можно сделать в стандартной коммуникационной сети.
В отличие от классических ретрансляторов, которые усиливают сигнал через существующую сеть, квантовые ретрансляторы создают сеть запутанных частиц, через которые может передаваться сообщение. Вместо этого, говорит Авшалом, исследователи придумали схему усиления квантового сигнала, конвертируя его в другие формы, не читая его напрямую.
"У нас есть несколько прототипов квантовых ретрансляторов, работающих в настоящее время. Они недостаточно хороши, но мы еще многое должны узнать", — говорит Авшалом.
Если Конгресс одобрит бюджет на квантовые технологии, дополнительное финансирование экспериментов может когда-нибудь заложить основу для расширения в общенациональную квантовую сеть.
"Существует долгосрочная концепция соединения всех национальных лабораторий, от побережья до побережья", — говорит Пол Даббар, заместитель министра по науке Министерства энергетики.
Исследователи, в конце концов, представляют себе целую квантовую экосистему, состоящую из компьютеров, памяти и ретрансляторов, говорящих на одном и том же языке квантовой суперпозиции и запутанности.
Текущее состояние сравнимо с тем временем, когда инженеры-электрики разработали первые транзисторы и первоначально использовали их для улучшения слуховых аппаратов, совершенно не зная, что они встают на путь, который когда-нибудь откроет миру социальные сети и видеоконференции. Поэтому есть вероятность, что квантовые технологии несут в себе те области применения, о которых люди пока не могут и помыслить.
