Интернет быстрее света? Или чем больше запутано, тем крепче сеть.

Источник.

Научная фантастика дала миру множество идей, за рецептами реализации которых гонялось и ещё будет гоняться не одно поколение учёных и инженеров. Какие-то замыслы выглядят вполне реализуемыми, другие отличаются меньшей вероятностью, но и те, и другие стали не только целью и топливом прогресса, а ещё и своеобразной наградой за воплощение их в жизнь.

Скажем, субмарина капитана Немо выглядела для первых читателей пусть и восхитительной, но всё же профанацией, литературной выдумкой, в то время как автор романа Жюль Верн считал свои произведения вполне научными. А вот Герберт Уэллс, наоборот: несмотря на то, что сам предсказал не только устройства (например, те же атомную бомбу и лазерный луч), но и исторические события (вторая мировая на почве национализма) и научные теории (за десятилетие до Эйнштейна, в романе «Машина времени», он высказал идею о том, что реальность являет собой то самое, теперь уже ассоциируемое с автором общей теории относительности, четырёхмерное пространство-время), называл свои романы фантастическими.

Согласитесь, разобраться в том, что есть в художественной литературе от науки, а что от фантастики – задачка не из простых. Так что, видимо, мы, читатели, должны сказать спасибо Якову Исидоровичу Перельману, российскому математику, физику, педагогу, журналисту и, в некотором смысле, соратнику Константина Циолковского (того самого фантазёра, который не просто мечтал, а буквально положил начало советской космонавтике) за так облегчивший нам жизнь термин «научная фантастика».

Но стало ли от этого легче господам учёным? Отнюдь! У авторов-фантастов есть столько идей, которые хочется воплотить, что просто голова кругом. И чем грандиознее идея, тем горячее азарт. В этом смысле, конечно, мало что может сравниться с машиной времени, но вот разработкой двигателей для межпланетных путешествий учёные уже занимаются на самом деле, а к изготовлению такого откровенно сказочного аксессуара, как плащ-невидимка, наука вообще подобралась вплотную. А что ещё вам приходит на ум из научно-фантастических идей?

Например, телепортация – та концепция, которая, как нам обыкновенно кажется, упоминается в литературе и кино, но никак не в строгих исследовательских кругах. Однако недавно некоторые представители этих самых кругов решили, что её можно использовать в каналах связи, чтобы избежать сигнальных потерь на квантовом уровне.

Для вящего понимания стоит сказать сразу, что телепортация – это не о передаче предметов на большие расстояния. Мгновенная почтовая посылка, конечно, та ещё «голубая мечта», однако в данном контексте речь не о ней.

Итак, статья на сайте Университета Гриффита рассказывает о разработке механизма, который может уменьшить потери, неминуемо происходящие в любом канале связи. Как вы понимаете, это может быть интернет-соединением, телефонией, телевидением и так далее.

Профессор Джефф Прайд, доктора Сергей Слюсаренко, Саша Кочиш и Морган Уэстон, представляющие команду учёных Центра квантовой динамики Университета Гриффита, вместе с исследователями из Университета Квинсленда и Национального института стандартов и технологий (США) говорят, что это открытие является важным шагом на пути к внедрению так называемого квантового интернета, который принесёт беспрецедентные возможности, недоступные сегодня. И базируется всё на понятии квантовой телепортации.

Однако как нам понять о чём речь, если сам нобелевский лауреат Ричард Фейнман как-то заявил, что квантовой механики не понимает никто? Как же нам тогда вникнуть в её телепортацию? Ответ кроется в феномене квантовой запутанности – явлении, когда две частицы (два кванта), удалённые друг от друга на неопределённое расстояние, имеют связь, посредством которой могут мгновенно влиять на свойства друг друга. Этот эффект довольно долго считался парадоксом, и Альберт Эйнштейн был уверен, что теория, его предположившая, в целом неверна, поскольку – как считалось – ничто не может двигаться быстрее света, а запутанность говорит буквально о мгновенном отклике парных частиц.

Всё же с течением времени удалось разобраться и подвести обоснования под наблюдаемое явление: несмотря на моментальность реакций запутанных частиц, мы не можем передать информацию между ними быстрее скорости света. «Но ведь мы можем мгновенно узнать состояние одной частицы по изменению другой!» – подумал весь учёный мир, и решил это знание обозвать информацией. И ведь правда: если выключатель в одной комнате, а лампочка в другой, то – в случае исправности электропроводки и самой лампы – вы можете с уверенностью сказать включили вы свет в другой комнате или нет. Вот вы и владеете единицей информации!

Так и получается, что, поскольку понятие «телепортация» означает не мгновенную транспортировку объекта, а лишь передачу сведений о нём, то реализацию её посредством запутанности частиц и назвали квантовой телепортацией. Так, в 2017 году учёные из Китая сумели передать информацию фотону, находящемуся в 1400 км над поверхностью Земли – на спутнике. Это был настоящий прорыв, причём не только для науки, но и для инженерии коммуникаций. Это можно назвать зарождением того самого квантового интернета!

Конечно, дальнейшие исследования выявили множество ограничений и преград, с которыми необходимо разбираться. И одна из них – большие потери в полезном сигнале и накопление ошибок при передаче. Это обусловлено тем, что кванты – весьма крохотные частицы и потому крайне уязвимые для постороннего влияния. Что уж говорить об окружающей их среде, если они подвержены даже эффекту наблюдателя, когда всё выглядит так, будто само наблюдение меняет свойства частиц.

«Квантовое шифрование на коротких расстояниях уже используется в коммерческих целях, однако, если мы хотим реализовать глобальную квантовую сеть, потеря фотонов становится проблемой, потому что это неизбежно», – говорит Сергей Слюсаренко, доктор физики из Белоруссии.

Потери при передаче по оптическим каналам на большие расстояния приводят к ухудшению запутанности, снижая таким образом производительность протокола передачи. Существует метод некоторой компенсации потери, позволяющий вероятностно усилить квантовые состояния, несущие информацию, но в случае неудачи усиления связи вообще разрушаются. Вследствие этого предпочтительна квантовая коррекция самого канала, но вот что касается превосходства передачи по исправленному каналу, чем по нескорректированному, то такая безубыточность пока остаётся недостижимой.

Но и тут кое-что удалось сделать. Сергей говорит, что его исследование впервые продемонстрировало уменьшение ошибок, с одновременным повышением производительности канала:

«Мы посмотрели на необработанные данные, передаваемые по нашему каналу, и могли видеть лучший сигнал с нашим методом, чем без него».

Сначала был отправлен фотон, не несущий никакой полезной информации, поэтому его потеря не была большой проблемой. Затем учёные смогли скорректировать влияние потерь с помощью устройства, называемого бесшумным линейным усилителем. Его разработали в Гриффите и Университете Квинсленда.

«Он может восстановить потерянное квантовое состояние, но это не всегда удаётся, – поясняет Слюсаренко. – Однако после успешного восстановления мы используем другой чисто квантовый протокол, называемый телепортацией квантового состояния, для телепортации информации, которую мы хотели передать, на исправленный носитель, избегая всех потерь на канале».

Если вкратце, этого удалось добиться путём объявленного усиления в канале шумовой запутанности. Затем, использование замены запутанности, позволяет безоговорочно улучшить передачу произвольной квантовой информации. Это означает, что теперь нет необходимости полагаться на постобработку данных в виде сопоставления с начальным, нескорректированным каналом. Разработчики говорят, что весь подход представляет собой настоящее квантовое реле.

Они уверенны, что их модель коррекции канала для одномодовых состояний найдёт применение в квантовых повторителях, коммуникационных и метрологических приложениях. Поскольку вопрос преодоления последствий потерь является насущным во всех сферах использования квантовых сетей (и уж тем более в деле безопасности), такие приложения требуют реальных схем дистилляции или очистки запутанности. Таким образом, можно сказать, что полученное преимущество в передаче состояний делает их квантовым коммуникационным эквивалентом безубыточности для квантовой коррекции ошибок.

Столь тонкие технологии обещают революционные изменения в информационной сфере нашей жизни. Основанные на них новые методы передачи данных выведут обмен ими на чрезвычайно безопасный уровень, когда третья сторона не сможет получить к ней доступ как бы ни старалась. А самым плачевным результатом такого вмешательства может быть лишь потеря целевых данных.

Объясняя серьёзность и оригинальность меры, Слюсаренко делает акцент на том, что, поскольку технология не нуждается в «клонировании» данных (то есть всё происходит в одном канале передачи), то «если фотон, несущий информацию, потерян, информация, которую он нёс, исчезает навсегда».

«Рабочий канал квантовой связи на большие расстояния нуждается в механизме для уменьшения этой потери информации, что мы и сделали в нашем эксперименте, – говорит он. – Наша работа реализует так называемое квантовое реле, ключевой компонент этой сети дальней связи».

Следующим шагом в этом исследовании будет снижение ошибок до уровня, при котором команда сможет внедрить квантовую криптографию на большие расстояния и протестировать метод с использованием реальной оптической инфраструктуры, вроде тех, что используются для оптоволоконного интернета.

АРМК, по материалам Nature Communications, Университета Гриффита.