211service.com
Směrem ke kvantovému internetu
Příslib kvantových počítačů je dráždivě velký: téměř okamžité řešení problémů a dokonale bezpečný přenos dat. Z větší části však malé demonstrace kvantových výpočtů zůstávají izolované v laboratořích po celém světě. Nyní, Prem Kumar , profesor elektrotechniky a informatiky na Northwestern University, udělal krok k tomu, aby kvantové výpočty byly praktičtější. Kumar a jeho tým ukázali, že dokážou vybudovat kvantovou logickou bránu – základní součást kvantového počítače – v rámci optického vlákna. Brána by mohla být součástí obvodu, který bezpečně přenáší informace přes stovky kilometrů vláken z jednoho kvantového počítače do druhého. Může být také použit samostatně k nalezení řešení komplikovaných matematických problémů.
Zamotaný web: Optické komponenty na této laboratorní lavici, jako jsou zrcadla a filtry, umožňují výzkumníkům v laboratoři Prema Kumara na Northwestern University směrovat a manipulovat se světlem. V Kumarově nejnovější práci vytvořil kvantovou logickou bránu v optickém vláknu; takové brány by nakonec mohly umožnit sítě kvantových počítačů.
Logické hradlo je zařízení, které přijímá vstup, provádí na něm logickou operaci a vytváří výstup. Typ brány, kterou Kumar vytvořil, nazvaný řízená brána NOT, má analog klasického výpočtu, který překlápí bit registrující 1 ku 0 a naopak. Kvantová logická hradla jako Kumarova již byla postavena dříve, ale pracovaly s laserovými paprsky, které procházely vzduchem, nikoli vláknem. Nová brána pokládá základy pro experimenty, které demonstrují schopnosti kvantových počítačů ve vláknu, říká Kumar. Vzrušující je, že aplikace je na dosah, říká. Během příštího roku Kumar a jeho tým plánují otestovat bránu v konkrétní aplikaci: provedení komplexní aukce přes zabezpečenou kvantovou síť.
Výzkumníci z IBM, MIT a mnoha dalších společností a univerzit pracují na kvantových počítačích od jejich prvního návrhu v 80. letech 20. století. Kvantový počítač je zařízení, které zpracovává bity informací tím, že využívá podivné kvantově-mechanické vlastnosti částic, jako jsou elektrony a fotony. Kvantový počítač je teoreticky schopen zpracovat exponenciálně více informací než klasické počítače. Jednotkou informace v klasickém počítači je bit, který představuje buď 1 nebo 0; ale v kvantovém počítači je to qubit, který může představovat jak 1, tak 0 současně. Protože qubity počítají s více hodnotami najednou, výpočetní výkon kvantového počítače se s každým dalším qubitem zdvojnásobuje. Tato vlastnost by umožnila kvantovému počítači s pouhými několika stovkami qubitů výrazně překonat dnešní nejlepší superpočítače.
Kumarova skupina vytváří qubity z fotonů, které jsou propletené. To znamená, že jejich fyzikální vlastnosti, jako je polarizace, jsou propojeny takovým způsobem, že pokud jeden foton zaujme určitý fyzický stav, odpovídající foton okamžitě zaujme odpovídající stav. Před několika lety Kumar ukázal, že samotné optické vlákno může způsobit zapletení fotonů a že zůstanou zapletené na vzdálenost 100 kilometrů. Jeho nedávné práce, popsané v Fyzické kontrolní dopisy , jde ještě o krok dále a vytváří logické hradlo, které zaplete fotonové páry.
K použití této brány potřebuje Kumar fotony, které jsou identické ve všech směrech kromě polarizace nebo orientace jejich elektromagnetických polí. Tyto identické fotony jsou posílány přes optické vlákno k samotné bráně, malému bludišti zařízení, která směrují fotony různými směry v závislosti na na jejich polarizaci. Průchod bludištěm způsobí, že se určité fotonové páry zapletou. Ale ne všechny fotony projdou bránou; Teprve když fotony dosáhnou detektorů na druhém konci a výzkumníci mohou změřit, zda jsou nebo nejsou zapletené, vědí, že brána uspěla.
Jediný způsob, jak zjistit, zda brána fungovala nebo ne, je počkat, až na ni bude vypálena sbírka fotonů, říká Carl Williams , koordinátor kvantový informační program v Národním institutu pro standardy a technologie. Většinu času brána selže, říká. Je to věc pravděpodobnosti. Ale když brána selže, výzkumníci jednoduše ignorují nezapletené fotony.
Skvělá věc na této práci, říká Williams, je to, že je ve vlákně. To je velký problém, protože by to mohlo vést k distribuovaným sítím. … Zřejmá aplikace je pro dálkovou kvantovou komunikaci mezi dvěma menšími kvantovými počítači. Jedním z klíčových prvků v konvenční optické síti je zařízení zvané opakovač, které zesiluje signály, které se na dálku degradovaly. Williams říká, že kvantová logická brána, jako je ta, kterou postavil Kumar, by mohla být použita v obvodu, který zesiluje signál, aniž by ztratil zapletení fotonů.
To je důležitý krok k vybudování kvantového internetu, říká Seth Lloyd , profesor strojního inženýrství na MIT a přední výzkumník v oblasti kvantových výpočtů. Taková síť by měla pravomoci, které běžný internet nemá, říká. Zejména komunikace přes kvantový internet by byla automaticky bezpečná.
Lloyd poznamenává, že Kumarův článek ilustruje, jak lze provést jednoduchou operaci kvantové logiky pomocí jednotlivých fotonů. Současný článek představuje významný pokrok v technologii kvantových výpočtů a kvantových sítí, říká.