W lutym 2020 r. Naukowcy z Argonne National Laboratory amerykańskiego Departamentu Energii i Uniwersytetu w Chicago ujawnili , że osiągnęli splątanie kwantowe - w którym zachowanie pary dwóch drobnych cząstek zostaje połączone, tak że ich stany są identyczne - ponad 52-milowa (83,7-kilometrowa) sieć pętli kwantowej na przedmieściach Chicago.
Możesz się zastanawiać, o co to całe zamieszanie, jeśli nie jesteś naukowcem obeznanym z mechaniką kwantową - czyli zachowaniem się materii i energii w najmniejszej skali rzeczywistości, która jest szczególnie odmienna od otaczającego nas świata. nas.
Jednak wyczyn naukowców może być ważnym krokiem w rozwoju nowej, znacznie potężniejszej wersji Internetu w ciągu następnych kilku dziesięcioleci. Zamiast bitów używanych w dzisiejszej sieci, które mogą wyrażać tylko wartość 0 lub 1, przyszły internet kwantowy wykorzystywałby kubity informacji kwantowej, które mogą przyjmować nieskończoną liczbę wartości. (Quibit to jednostka informacji dla komputera kwantowego; to trochę jak w zwykłym komputerze).
To dałoby kwantowemu internetowi znacznie większą przepustowość, co umożliwiłoby podłączenie super-potężnych komputerów kwantowych i innych urządzeń oraz uruchamianie ogromnych aplikacji, które po prostu nie są możliwe w dzisiejszym Internecie.
„Internet kwantowy będzie platformą ekosystemu kwantowego, w którym komputery, sieci i czujniki wymieniają informacje w całkowicie nowy sposób, w którym czujniki, komunikacja i komputery działają dosłownie jako jedna całość” - wyjaśnia David Awschalom za pośrednictwem poczty elektronicznej. Jest profesorem spintroniki i informacji kwantowej w Pritzker School of Molecular Engineering na Uniwersytecie w Chicago oraz starszym naukowcem w Argonne, który kierował projektem pętli kwantowej.
Wyjaśnianie Internetu kwantowego
Dlaczego więc tego potrzebujemy i co to robi? Po pierwsze, internet kwantowy nie zastępuje zwykłego internetu, który mamy teraz. Byłby raczej jego uzupełnieniem lub jego odgałęzieniem. Byłby w stanie poradzić sobie z niektórymi problemami, które nękają obecny internet. Na przykład internet kwantowy zapewniłby znacznie lepszą ochronę przed hakerami i cyberprzestępcami. W tej chwili, jeśli Alice w Nowym Jorku wyśle wiadomość przez Internet do Boba w Kalifornii, wiadomość ta będzie podróżować mniej więcej w linii prostej z jednego wybrzeża na drugie. Po drodze sygnały przesyłające wiadomość ulegają degradacji; repeatery odczytują sygnały, wzmacniają i korygują błędy. Ale ten proces pozwala hakerom „włamać się” i przechwycić wiadomość.
Jednak wiadomość kwantowa nie miałaby tego problemu. Sieci kwantowe wykorzystują cząsteczki fotonów światła do wysyłania wiadomości, które nie są podatne na cyberataki. Zamiast szyfrować wiadomość za pomocą złożoności matematycznej, mówi Ray Newell, badacz z Los Alamos National Laboratory , oparlibyśmy się na osobliwych zasadach fizyki kwantowej. W przypadku informacji kwantowych „nie można ich skopiować ani przeciąć na pół, a nawet nie można na nie spojrzeć bez zmiany”. W rzeczywistości próba przechwycenia wiadomości niszczy wiadomość , jak zauważył magazyn Wired. Umożliwiłoby to szyfrowanie, które byłoby znacznie bezpieczniejsze niż jakiekolwiek dostępne obecnie szyfrowanie.
„Najłatwiejszym sposobem zrozumienia pojęcia internetu kwantowego jest pojęcie teleportacji kwantowej” - mówi w e-mailu Sumeet Khatri , badacz z Louisiana State University w Baton Rouge. On i jego współpracownicy napisali artykuł na temat wykonalności kosmicznego internetu kwantowego , w którym satelity nieustannie wysyłałyby splątane fotony na powierzchnię Ziemi, jak opisano w tym artykule Przeglądu Technologii .
„Teleportacja kwantowa nie przypomina tego, co umysł nienaukowca mógłby wyczarować w kategoriach tego, co widzą w filmach science fiction” - mówi Khatri. „W teleportacji kwantowej dwie osoby, które chcą się komunikować, dzielą ze sobą parę splątanych cząstek kwantowych. Następnie, poprzez sekwencję operacji, nadawca może wysłać dowolną informację kwantową do odbiornika (chociaż nie można tego zrobić szybciej niż światło prędkość, powszechne nieporozumienie). Ten zbiór wspólnych uwikłań między parami ludzi na całym świecie w istocie tworzy kwantowy internet. Głównym pytaniem badawczym jest, jak najlepiej rozprowadzić te splątane pary wśród ludzi rozsianych po całym świecie ”.
Gdyby było możliwe zrobienie tego na dużą skalę, internet kwantowy byłby tak zadziwiająco szybki, że odległe zegary mogłyby być zsynchronizowane około tysiąc razy dokładniej niż najlepsze dostępne obecnie zegary atomowe, jak podaje magazyn Cosmos . To uczyniłoby nawigację GPS znacznie bardziej precyzyjną niż jest obecnie i zmapowałoby pole grawitacyjne Ziemi tak szczegółowo, że naukowcy mogliby dostrzec tętnienie fal grawitacyjnych. Może również umożliwić teleportację fotonów z odległych teleskopów światła widzialnego na całej Ziemi i połączenie ich w gigantyczne wirtualne obserwatorium.
„Potencjalnie można było zobaczyć planety wokół innych gwiazd” - mówi Nicholas Peters, lider grupy Quantum Information Science Group w Oak Ridge National Laboratory .
Sieci super-potężnych komputerów kwantowych na całym świecie mogłyby również współpracować i tworzyć niezwykle złożone symulacje. Może to umożliwić naukowcom na przykład lepsze zrozumienie zachowania cząsteczek i białek oraz opracowywanie i testowanie nowych leków.
Może również pomóc fizykom w rozwiązaniu niektórych odwiecznych tajemnic rzeczywistości. „Nie mamy pełnego obrazu tego, jak działa wszechświat” - mówi Newell. „Bardzo dobrze rozumiemy, jak działa mechanika kwantowa, ale nie mamy zbyt jasnego obrazu konsekwencji. Obraz jest zamazany w miejscu, w którym mechanika kwantowa przecina się z naszym doświadczeniem”.
Wyzwania związane z budowaniem Internetu kwantowego
Ale zanim coś takiego może się wydarzyć, naukowcy muszą wymyślić, jak zbudować internet kwantowy, a biorąc pod uwagę dziwaczność mechaniki kwantowej, nie będzie to łatwe. „W klasycznym świecie można zakodować informacje i je zapisać, a one nie ulegną rozkładowi” - mówi Peters. „W świecie kwantowym kodujesz informacje, które niemal natychmiast zaczynają się rozpadać”.
Innym problemem jest to, że ponieważ ilość energii, która odpowiada kwantowej informacji jest naprawdę mała, trudno jest powstrzymać ją przed interakcją ze światem zewnętrznym. Obecnie „w wielu przypadkach systemy kwantowe działają tylko w bardzo niskich temperaturach” - mówi Newell. „Inną alternatywą jest praca w próżni i wypompowanie całego powietrza”.
Newell mówi, że aby stworzyć kwantową funkcję internetu, będziemy potrzebować wszelkiego rodzaju sprzętu, który nie został jeszcze opracowany. Trudno więc w tym momencie dokładnie określić, kiedy będzie działał internet kwantowy, chociaż jeden z chińskich naukowców przewidział , że może to nastąpić już w 2030 roku.
Teraz to jest interesujące
Albert Einstein, który kwestionował słuszność mechaniki kwantowej, nazwał splątanie kwantowe „upiornym działaniem na odległość”, jak wyjaśnia Technology Review .
Data publikacji: 30 marca 2020 r
