От кулата до фара: Квантовите мрежи късат с кабела

В нощта на 19 август детекторите в Brookhaven National Laboratory регистрират фотони, пристигнали от Stony Brook University на 21 километра разстояние. Подобно събитие би останало незабележимо в свят, в който светлината ежедневно пренася информация през континенти и океани. Тук обаче фотоните носят квантова информация, а при последвалите изпитания изследователите успяват да разпределят и измерят заплетени фотони по същия свободно-пространствен канал. Двете лаборатории успяват да предадат квантова информация между себе си без оптично влакно по целия маршрут – демонстрация на технология, която може да се окаже част от бъдещата инфраструктура за свързване на квантови устройства на големи разстояния.

Двадесет и един километра не са голямо разстояние за класическите телекомуникации. Радиосигнали и оптични влакна преодоляват стотици и хиляди километри, а спътниците свързват точки, между които няма наземна инфраструктура. Пред квантовата комуникация предизвикателствата са различни. Светлината трябва да премине през атмосферата, без квантовото състояние, което носи, да бъде изгубено или нарушено по начин, който прави връзката неизползваема. Между Stony Brook и Brookhaven няма вакуум. Има постоянно движещ се въздух, температурни разлики и турбулентност, които променят оптичния път и превръщат иначе простата задача да насочиш светлина от една точка към друга в прецизен физически експеримент.

Зад тази експериментална връзка стои фундаментална промяна в начина, по който се развиват квантовите технологии. През последните години голяма част от усилията бяха насочени към създаването на по-добри квантови процесори, сензори и източници на квантова светлина. Следващият проблем бе как тези устройства да бъдат свързани. Ако квантовият компютър остане самостоятелна машина, той може да използва само собствените си ресурси. Ако множество квантови системи могат да обменят квантова информация, се появява възможност за делегирани системи, в които отделните устройства работят като части от по-голяма архитектура.

Свободно-пространствената връзка между двете американски лаборатории е един от начините този проблем да бъде адресиран. Бъдещата квантова инфраструктура вероятно няма да разчита на един-единствен тип канал. Оптичните влакна ще имат своето място, както и свободно-пространствената оптика, която може да бъде използвана там, където физическата инфраструктура или характеристиките на квантовите устройства изискват различно решение.

Защо изобщо ни е необходим квантов интернет?

За човек, който не следи тази област, квантовият интернет лесно може да прозвучи като по-бърза версия на сегашния. Това не е идеята. Телефонът няма да се свързва към квантова мрежа, за да зарежда уебсайтове по-бързо, а класическите мрежи няма да изчезнат. Квантовата инфраструктура е замислена като специализиран слой за комуникация между квантови системи – компютри, сензори, източници на квантова информация и други устройства, които използват особеностите на квантовата механика.

Най-просто казано, квантовата мрежа е опит отделните квантови машини да престанат да бъдат самотни острови. Това е важно, защото някои от най-интересните приложения на квантовите технологии не се изчерпват с работата на една машина. Свързани помежду си квантови компютри биха могли да участват в разпределени изчисления, квантови сензори могат да бъдат обединявани в по-големи измервателни системи, а квантовите комуникационни протоколи могат да използват физически свойства, които нямат директен аналог в класическите мрежи. Министерството на енергетиката на САЩ например разглежда свързването на квантови устройства като важна част от развитието на квантовите мрежи.

Ако квантовите технологии достигнат необходимата зрялост, приложенията им могат да се появят в разработването на лекарства и нови материали, моделирането на сложни физически системи, високочувствителни измервания и защитени комуникации. Човекът, който един ден използва резултатите от подобна технология, вероятно няма да вижда квантовия компютър, който стои зад тях. По същия начин днес никой не мисли за подводните оптични кабели, когато изпраща снимка от телефона си.

Дотогава тази инфраструктура трябва да бъде изградена. И първите ѝ връзки трябва да работят.

Когато един фотон трябва да запази информацията си

Класическите комуникационни мрежи са проектирани така, че информацията да може да бъде обработвана по пътя. Сигналът може да бъде усилен, копиран, проверен и отново изпратен. При нужда данните могат да бъдат разделени на пакети и пренасочени по друг маршрут. Това е една от причините поради които интернет функционира надеждно въпреки огромната сложност на своята инфраструктурата.

Квантовата информация поставя други ограничения. Част от възможностите на бъдещите квантови мрежи зависят от квантовото заплитане – явление, при което две частици могат да бъдат подготвени в общо квантово състояние, а измерванията върху тях да останат свързани дори след разделянето им. Това не позволява предаване на съобщения със скорост, по-голяма от тази на светлината, и не е квантова версия на радиовръзката. Заплитането е ресурс, върху който могат да бъдат изградени квантови комуникационни протоколи и разпределени квантови системи.

Загубата на фотони от друга страна е сериозен проблем. Не можеш просто да поставиш обикновен усилвател по средата на трасето и да възстановиш квантовия сигнал по същия начин, по който би възстановил класически такъв. За по-големи мрежи ще бъдат необходими технологии като квантови памети и повторители, както и изключително прецизна синхронизация между отделните възли. Много от тези решения все още са предмет на активно изследване.

Експериментът между Stony Brook и Brookhaven решава само една част от този проблем, но я решава в реална среда. На покрива на Health Sciences Center в Stony Brook се намира Quantum Watchtower, а в Brookhaven – Quantum Lighthouse, оптична система върху седеметажна сграда с пряка видимост към първата точка. Между тях няма влакно. Има 21 километра сурова атмосфера.

В Stony Brook лазерна система генерира квантови състояния на светлината, съдържащи само няколко фотона. Те напускат оптично влакно със сърцевина около пет микрометра – по-малко от една десета от ширината на човешки косъм – и се отправят към Brookhaven. Там оптичната система ги събира и насочва към детекторите. При нощните изпитания изследователите преминават към заплетени фотони и успяват да ги регистрират и измерят в другия край на свободно-пространствения канал.

Най-голямото препятствие по трасето е атмосферата. Турбулентността променя оптичния път и изкривява светлината, което затруднява прецизното насочване и събиране на сигнала. За компенсация екипът използва адаптивна оптика – технология, която има дълга история в астрономията. Там тя служи за коригиране на атмосферните изкривявания при наблюдение на далечни обекти. В този случай същият принцип служи на обратната задача: светлината трябва не просто да бъде наблюдавана, а да бъде доставена точно до определен приемник на километри разстояние.

Защо въздухът може да бъде по-полезен от кабела

На пръв поглед свободно-пространствената връзка изглежда като неудобна алтернатива на оптичното влакно. Влакното е защитено от атмосферните условия и осигурява стабилен физически канал. Защо тогава учените доброволно поставят квантовия сигнал във въздуха?

Бъдещата квантова мрежа вероятно няма да бъде изградена по един-единствен модел. Различните квантови технологии работят с различни физически системи и дължини на вълната. Свободно-пространствената оптика позволява да се изследват инфрачервени дължини на вълната, близки до тези, които естествено се използват от някои квантови процесори и други квантови технологии. Това може да улесни свързването на различни квантови платформи, вместо всички те да бъдат принудени да се адаптират към един и същ комуникационен диапазон.

Има и чисто инфраструктурен фактор. Кабелът трябва да бъде положен между две точки. Свободното пространство не изисква физически маршрут по цялата дължина на връзката. Това не прави въздушната връзка по-лесна – тя създава собствени проблеми с атмосферните условия, прецизното насочване и загубата на светлина. За определени маршрути обаче тя може да предложи архитектура, която влакното не може.

Следващият тест ще разшири тази възможност. В Yale University в Ню Хейвън е изградено третото съоръжение от системата, а свободно-пространствената връзка със Stony Brook на около 48 километра през Long Island Sound все още се разработва. Така учените ще проверят системата при по-голямо разстояние и при различни условия от тези между двете сегашни точки.

От експеримент към мрежа

21-километровият сегмент се присъединява към квантова комуникационна инфраструктура, която вече свързва осем възела в района на Лонг Айлънд и Ню Йорк. Тя представлява най-дългата квантова мрежа в САЩ, а новата свободно-пространствена връзка добавя към нея комуникационен канал, който не зависи от оптично влакно по целия маршрут.

Така проблемът се видоизменя. При разработването на отделен квантов процесор въпросът е дали машината може надеждно да извършва определени операции. При мрежата въпросът става как множество такива системи могат да обменят информация, да синхронизират работата си и да използват общи квантови ресурси.

Преходът от устройство към система е един от най-трудните моменти в развитието на всяка технология. Отделните компоненти могат да работят отлично и въпреки това цялата инфраструктура да се окаже неизползваема, ако връзките между тях не са достатъчно надеждни. При квантовите технологии този проблем е още по-сериозен, защото самата информация, която трябва да бъде пренасяна, е чувствителна към загуби и измерване.

Днешната демонстрация показва, че квантовите комуникации вече се развиват като мрежова инфраструктура, а не само като серия от несвързани лабораторни експерименти. Новият свободно-пространствен сегмент добавя възможност, която може да стане особено важна, когато мрежата трябва да преодолява физически препятствия или да свързва различни квантови платформи.

Следващата връзка може да бъде извън Земята

Свободно-пространствената оптика отваря и друга възможност: връзки със спътници. Ако между две наземни точки не е задължително да има кабел, същият принцип може да се използва и когато едната точка се намира в орбита. Самите изследователи посочват предаването на квантова информация към орбитиращи спътници като една от дългосрочните цели на проекта.

Това все още е бъдеща посока. Между 21 километра и глобална квантова мрежа има огромен брой нерешени задачи. Загубите на фотони нарастват с разстоянието, квантовата информация трябва да бъде съхранявана и маршрутизирана по начини, които нямат пряк аналог в сегашните мрежи, а всяка свободно-пространствена връзка зависи от прецизно насочване и от условията на средата.

Успешната връзка между две наземни лаборатории не означава, че тези проблеми са решени. Тя означава, че един от тях – предаването на квантова информация през реалната атмосфера между две отдалечени точки – вече получава работещо експериментално решение.

Какво ще види човекът, който днес няма нищо общо с квантовите технологии?

Квантовите технологии имат особен проблем с общественото внимание: повечето от най-важните им разработки се случват много преди да се появи продукт, който човек може да види или използва. Няма да купим квантов компютър от магазина и няма да заменим домашния рутер с квантов. Затова една новина като тази, касаеща размяна на фотони между две лаборатории лесно може да изглежда като нещо, което няма нищо общо с ежедневието.

Връзката е по-далечна, но не и маловажна. Ако квантовите компютри успеят да решават практически задачи, които днес са недостъпни за класическите машини, резултатите могат да се появят в области, които засягат всички – от разработването на лекарства и материали до научни измервания и сигурността на комуникациите. А ако тези машини трябва да работят заедно, ще им бъде необходима мрежа.

Точно както интернетът не беше особено интересен за повечето хора в момента, когато съществуваше като мрежова инфраструктура между научни и военни институции, но по-късно се превърна в основа на ежедневния живот, така и квантовата мрежа днес се изгражда далеч преди да стане част от потребителския свят. Никой не може да каже какви точно услуги ще зависят от нея, ако технологията достигне зрялост. Може да се каже само, че без комуникационна инфраструктура свързаните квантови системи няма да могат да се превърнат в реална технологична платформа.

Началото не изглежда като бъдещето

Stony Brook и Brookhaven не са построили квантовия интернет. Не са свързали глобална мрежа от квантови компютри и не са създали технология, която утре ще промени начина, по който използваме телефоните си. Те са направили нещо по-конкретно: показали са, че квантова информация може да бъде прехвърлена през реална атмосфера между две отдалечени точки и че по този канал могат да бъдат разпределени и измерени заплетени фотони.

На единия край на трасето стои Quantum Watchtower. На другия – Quantum Lighthouse. Между тях има 21 километра въздух, а около тях – вече съществуваща квантова мрежа, към която се добавя нов тип комуникационен канал. Следващата връзка е планирана към Yale, а в по-далечната перспектива екипът гледа към орбитата за Земята.

Това все още не е готовата мрежа на бъдещето. Това е един от реалните ѝ строителни елементи.

Ако тази мрежа някога достигне зрялост, човекът от другата страна вероятно няма да вижда нито фотоните, нито телескопите, нито 21-те километра между двете лаборатории. Ще вижда само резултати – вълнуващи нови технологии, станали възможни благодарение на квантови машини, които могат да работят заедно.