Квантовые вычисления, технология обработки, которая ускоряется странной физикой субатома, сейчас только становятся реальностью. Но новизна технологии не помешала AT&T сделать еще один шаг вперед.
Телекоммуникационный гигант исследует технологии для связи квантовых компьютеров, надеясь увеличить их мощность так, как сетевые технологии обычных компьютеров привели к появлению огромных суперкомпьютеров и услуг, распространяющихся по всему миру. Квантовые сети могут привести к аналогичному скачку для квантовых компьютеров и, возможно, сформировать основу для квантового интернета.
AT&T не планирует выводить эту технологию на рынок в ближайшее время. Вместо этого он пытается выяснить, что это возможно, и приблизить её к коммерческой реальности с помощью партнерства под названием «Интеллектуальные квантовые сети и технологии» (INQNET). В работе участвуют исследователи из Калифорнийского технологического института, Стэнфордского университета, национальных лабораторий, стартапов, военных и других учреждений.
«Как вы добираетесь до такой степени, что вы можете масштабировать ее, чтобы позволить себе купить одну из этих вещей?» — сказал директор по технологиям AT&T Андре Фютч, впервые поделившись подробностями работы в AT&T Foundry в Пало-Альто, штат Калифорния, в научно-исследовательской лаборатории, которая является штаб-квартирой для проекта квантовых сетей. «Мы хотим убедиться, что мы там где нужно, и занимаемся тем, что нужно».
Сногсшибательная физика квантовой механики, которая управляет работой атомов и более мелких частиц, хороша не только для сюжетов фильмов про супергероев. Они также хорошо подходят для вычислительных нужд при разработке новых медицинских препаратов, оптимизации финансовых вложений и взлома современного шифрования.
Кубиты, основной элемент квантовых вычислений, позволяют передавать больше информации, чем обычные компьютерные процессоры, которые обрабатывают данные как биты — состояние 1 или 0. Квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут хранить несколько состояний одновременно , Цель квантовых сетей — связать кубиты между несколькими квантовыми компьютерами.
«Вы можете позволить кубитам взаимодействовать друг с другом, как если бы они были рядом», — сказал Сорен Телфер, директор AT&T Foundry в Пало-Альто.
Преимущества квантовых вычислений
Если исследователи решат проблемы, квантовые сети могут позволить вам:
- Соединить несколько машин вместе для решения более крупных проблем, подобно тому, как несколько классических компьютеров сегодня могут совместно использовать базы данных или взаимодействовать в вычислениях.
- Создать сеть квантовых датчиков, которые подают данные на квантовый компьютер. Это могут быть акселерометры для обнаружения движения в сверхчувствительных гравитационных исследованиях или навигации. Квантовое зондирование «гораздо более осуществимо в ближайшей перспективе», чем более сложные квантовые коммуникации, говорит Ювон Гим, старший технический сотрудник AT&T Foundry.
- Безопасная связь. С квантовыми сетями «вы всегда будете знать, подслушивает ли кто-то», — сказал Дж. Д. Дални, главный научный сотрудник консалтинговой компании Booz Allen Hamilton, которая не является членом альянса AT&T. «Вы не можете дублировать квантовое состояние», поэтому для подслушивающего невозможно получить доступ к каналу связи квантовой сети, сказал он.
- Возможность сотрудничества конкурентов в «безопасных многопартийных вычислениях», в которых проприетарные данные каждого из них могут быть объединены для расчетов без раскрытия их секретов сторонами, сказал Телфер.
Кубиты, суперпозиция, запутывание
Кубиты, которые в реальном мире обычно являются атомными ядрами, фотонами или другими крошечными частицами, получают свою силу через концепции, называемые суперпозицией и запутыванием. Вместе они экспоненциально увеличивают количество данных, которые кубиты могут хранить и обрабатывать.
Суперпозиция означает, что один кубит может хранить не просто 0 или 1, как это делает классический бит, но в действительности оба одновременно. (Да, это как свет, который одновременно включается и выключается. Я говорил вам, что квантовая механика странна.) Два кубита могут хранить четыре состояния одновременно, три кубита могут хранить восемь состояний, четыре кубита могут хранить 16 и так далее.
Запутывание связывает эти кубиты вместе, так что когда вы выполняете какую-либо операцию обработки, вы выполняете ее для всех возможных комбинаций этих кубитов 0 и 1 одновременно. Другими словами, различие между классическим и квантовым вычислением состоит в том, что четыре бита могут хранить одно из 16 возможных чисел, а четыре кубита могут хранить все 16.
Благодаря суперпозиции и запутанности — и огромному количеству дорогостоящего ультрахолодного оборудования, обеспечивающего их надежную работу, — квантовые компьютеры могут быстро исследовать огромное количество возможных решений проблемы. Этот потенциальный прирост производительности объясняет, почему такие компании, как IBM, Rigetti Computing, D-Wave и Google, стремятся поставить как можно больше кубитов на квантовые чипы.
Запутанность также важна для квантовой сети, потому что она работает даже для разделенных кубитов. Если вы слышали знаменитое возражение Альберта Эйнштейна в отношении квантовой механики — «жуткое дальнодействие» — это то, о чем мы говорим. (Экспериментальная физика доказала, что Эйнштейн был неправ в этом.)
«Объединение двух квантовых компьютеров или квантовых чипов вместе с поддержанием их квантовых состояний является активной областью исследований», — сказал Джим Кларк, директор Intel Labs по квантовому оборудованию. (Intel не является членом альянса AT&T.) Академические исследования показали, что квантовая связь на больших расстояниях тоже работает, сказал он. Но поскольку квантовые сети «все еще находятся на стадии исследований», следует ожидать, что прогресс в изолированных квантовых компьютерах наступит раньше.
Первые шаги в квантовой сети
Квантовые сенсорные сети, вероятно, являются первым квантовым сетевым приложением. Святой Грааль, однако, упаковывает состояние квантового компьютера в фотон света, передаваемого по волоконно-оптическим линиям другому квантовому компьютеру, и этот подход основан на идее, называемой трансдукцией.
По словам Дэна Кэмпбелла, ученого из компании Booz Allen Hamilton, который ранее работал над квантовыми вычислениями в Массачусетском технологическом институте, проблема трансдукции является особенно острой. Чтобы общаться с квантовыми компьютерами, вы используете электромагнитные сигналы на одной частоте. Но для передачи квантовых данных по волоконно-оптическим линиям вам нужны фотоны с другой частотой. Трансдукция — это технология, которая преобразует одну частоту в другую.
Это означает, что данные, отправляемые в квантовых сетях, должны будут пройти два преобразования частоты для отправки данных с одного компьютера на другой. «Трудно представить, что этот процесс когда-нибудь станет совершенным», — сказал Кэмпбелл.
Но, говорит Тельфер из AT&T: «Трудно не значит невозможно. Нет ничего фундаментального, что могло бы предотвратить трансдукцию».
Возможно будет и квантовый интернет
Вы можете связать квантовые компьютеры с простыми старыми классическими сетями — действительно, именно так используются современные ранние квантовые компьютеры. Но преобразование коммуникации в классическую сферу замедляет ее и жертвует особыми преимуществами запутанных квантовых данных.
Вот почему исследователи AT&T хотят квантовые связи. По словам руководителя INQNET Правахана, конечной целью партнерства компании является создание квантового интернета. Преодоление проблем физики и техники огромно, но успех может открыть «принципиально новые возможности в науке и технике», по словам австрийских исследователей, работающих над этой идеей.
Через несколько лет или десятилетий, возможно, в вашей жизни появится квантовая сеть, точно синхронизирующая действия в ваших онлайн-играх и блокирующая выглядывающих Томов из ваших видеочатов — или делающая что-то, что сегодня даже невозможно представить.
