35
Уявіть мураху, яка намагається перейти автостраду, забиту фурами. Приблизно так виглядає подорож одного-єдиного квантового фотона крізь оптоволокно, по якому вже мчать гігантські потоки звичайного інтернет-трафіку. І все ж у новому експерименті, описаному на SciTechDaily, ця «мураха» не просто вижила — вона дісталася центру Чикаго й залишилася квантово заплутаною зі своїм «близнюком» в Еванстоні.
Команда з Північно-Західного університету показала, що надзвичайно крихкі квантові сигнали можуть співіснувати в тих самих волокнах, де вже працює сучасний високошвидкісний інтернет. Тобто майбутній квантовий інтернет потенційно можна будувати не з нуля, а поверх уже прокладених мереж.
Що відомо коротко
- Дослідники вперше продемонстрували розподіл квантової заплутаності через реальну телекомунікаційну мережу, а не в лабораторному кабелі.
- Один фотон із заплутаної пари пройшов 24,4 км по встановленому оптоволокну між кампусами Північно-Західного університету в Еванстоні та центром Чикаго.
- Те саме волокно одночасно могло передавати до 36 Тбіт/с звичайних даних — еквівалентно приблизно 20 мільйонам одночасних потоків відео.
- Попри потужний «шум» від класичного трафіку, квантова заплутаність зберегла понад 94% вірності, що неможливо відтворити звичайною системою зв’язку.
- Робота вказує на реалістичний шлях до створення квантових мереж на базі вже існуючої інфраструктури без прокладання окремих кабелів.
Як працює квантова заплутаність і чому це взагалі складно
Сучасний інтернет кодує інформацію в бітах — нулях і одиницях. У квантових мережах замість цього використовують квантові стани, наприклад кубіти, які можуть бути одночасно і «0», і «1». Один із ключових ресурсів тут — квантова заплутаність: стан, коли дві частинки залишаються пов’язаними так, що вимірювання однієї миттєво визначає стан іншої, навіть якщо вони далеко одна від одної.
Цю властивість можна використати для квантової телепортації — передачі квантової інформації на відстань без фізичного перенесення самої частинки. Але є проблема: квантові сигнали надзвичайно крихкі. Якщо звичайний оптичний сигнал — це мільйони фотонів, то квантова інформація часто «сидить» в одному-єдиному фотоні.
Будь-який додатковий світловий шум у волокні — розсіяне випромінювання, відбиття, паразитні сигнали — може просто «затоптати» цей одиничний фотон, як натовп слонів мураху на стежці. Саме тому вважалося, що по «засмічених» міських мережах передавати заплутані фотони практично нереально.
Як вчені знайшли «тиху смугу» в оптоволокні
Прем Кумар (Prem Kumar), професор електротехніки та обчислювальної техніки в Школі інженерії Маккорміка Північно-Західного університету, разом із колегами почав вирішувати цю проблему ще в попередній роботі 2024 року. Вони детально вивчили, як світло розсіюється всередині оптоволокна, і знайшли діапазон довжин хвиль, де шум від звичайного трафіку значно менший.
Ідея схожа на пошук вільної смуги на радіо: якщо всі «кричать» на одній частоті, можна перейти на іншу, тихішу. Для квантових фотонів такою «тихою смугою» стала відносно спокійна O-смуга оптичного спектра, тоді як класичний інтернет зазвичай працює в C-смузі.
Додатково команда застосувала спеціальні оптичні фільтри, які ще сильніше пригнічують небажані сигнали. У лабораторних умовах це вже дозволило здійснити квантову телепортацію на 30 км по кабелю з високошвидкісним інтернетом. Але тоді все відбувалося під повним контролем у межах лабораторії.
Експеримент між Еванстоном і центром Чикаго
У новому досліді вчені вийшли за межі лабораторії. У лабораторії Кумара в Еванстоні генерували пари заплутаних фотонів. Один фотон із кожної пари залишався на місці, другий відправляли в уже прокладене міське оптоволокно, яке веде до центру Чикаго — до вузла StarLight International/National Communications Exchange Facility.
По цьому ж волокну одночасно йшли два канали звичайних даних, кожен зі швидкістю 800 Гбіт/с. Дослідники також додали оптичну потужність, що відповідає повністю завантаженій комерційній лінії. За словами Кумара, таке волокно могло б передавати до 36 Тбіт/с класичного трафіку — приблизно як 20 мільйонів одночасних потоків відео.
Щоб квантові фотони не «змішалися» з цим потоком, їх розвели по різних ділянках спектра: заплутані фотони йшли в тихішій O-смузі, а комерційні сигнали — у звичній для телекомунікацій C-смузі. Це як виділити окрему, майже порожню смугу руху для велосипедів поруч із завантаженою трасою для вантажівок.
Дистанція створила ще одну складність: обладнання в Еванстоні та в центрі Чикаго мало бути синхронізоване з надзвичайною точністю, щоб зрозуміти, які саме фотони утворюють заплутану пару. Для цього використали оптичну систему синхронізації White Rabbit, яка узгоджує час із точністю до пікосекунд — трильйонних часток секунди.
Завдяки такій синхронізації дослідники могли в реальному часі «зводити» фотони в пари, навіть коли навколо них вирувала лавина звичайних сигналів.
Що показали вимірювання і чому це важливо
Після проходження 24,4 км по зайнятому волокну вчені виміряли, наскільки сильно збереглася квантова заплутаність. Вони отримали вірність понад 94% — це означає, що квантовий зв’язок між фотонами залишився дуже близьким до ідеального й перевищив межі, які можна пояснити будь-якою класичною системою.
Це перша демонстрація того, що розподіл заплутаності між віддаленими вузлами можливий по волокну, яке одночасно несе сучасний комерційний трафік. Іншими словами, квантові «мурахи» можуть безпечно ходити тією ж стежкою, де вже давно бігають інтернет-«слони».
Наступна мета команди — здійснити квантову телепортацію між віддаленими вузлами вже не в лабораторії, а через реальну телекомунікаційну мережу з комерційним навантаженням. Кумар раніше показував телепортацію в контрольованих умовах, але тепер дослідники хочуть повторити це в «дикій природі» міської інфраструктури.
Сам Кумар пояснює, що телепортація складається з двох кроків: спочатку потрібно розподілити заплутаність, а потім — передати інформацію. Кожен етап складніший за попередній, але нинішній результат демонструє, що шлях відкритий.
Цікаві факти
Квантові сигнали використовують одиничні фотони, тоді як звичайний інтернет — мільйони фотонів на один імпульс, тому квантові канали набагато вразливіші до шуму.
Система синхронізації White Rabbit, застосована в експерименті, узгоджує час між вузлами з точністю до трильйонних часток секунди, що критично для розпізнавання заплутаних пар.
Квантова заплутаність і телепортація можуть стати основою надзвичайно захищених мереж, де будь-яка спроба підслухати зв’язок одразу руйнує квантовий стан.
FAQ
Це вже працюючий квантовий інтернет чи лише демонстрація можливості?
Йдеться про експериментальну демонстрацію ключового елемента — розподілу заплутаності через реальну мережу з комерційним трафіком. Повноцінний квантовий інтернет потребуватиме ще багатьох таких вузлів, повторювачів і стабільної телепортації, але цей крок показує, що можна використовувати вже існуючі кабелі.
Чому не прокласти окреме «чисте» волокно для квантових сигналів і не мучитися з шумом?
Прокладання нових оптоволоконних ліній у містах — дуже дороге й складне завдання. Якщо квантові сигнали можна безпечно передавати по вже наявній інфраструктурі, це суттєво здешевлює і прискорює розгортання квантових мереж, роблячи їх практично здійсненними.
Наскільки далеко можна буде передавати заплутані фотони таким способом?
У цьому експерименті перевірено відстань 24,4 км, але сам принцип не обмежується лише цією довжиною. Однак зі збільшенням дистанції зростають втрати сигналу й вимоги до синхронізації, тому для більших відстаней знадобляться додаткові технології, наприклад квантові повторювачі.
Чи означає це, що квантова телепортація вже скоро з’явиться в міських мережах?
Команда вже здійснювала телепортацію в лабораторії й тепер планує повторити її в реальній мережі з комерційним трафіком. Коли це вдасться, стане ще на крок ближче практичне застосування квантових мереж, але до масового впровадження все одно залишиться низка технічних бар’єрів.
Те, що один-єдиний квантовий фотон може зберегти свою «магічну» заплутаність, пройшовши десятки кілометрів по тому самому волокну, де мчать терабіти звичайних даних, показує, наскільки тонко ми навчилися керувати світлом. Коли мураха впевнено переходить автостраду, стає зрозуміло: межа між фантастикою й реальністю для квантового інтернету стрімко зникає.
Квантові фотони вижили серед «інтернет-слонів» на шляху в 24 км з’явилася спочатку на Цікавості.
