Эксперимент в Нью-Йорке приблизил создание квантового интернета на реальной городской инфраструктуре

Группа ученых из Нью-Йоркского университета (NYU) совместно с бруклинским квантовым стартапом Qunnect и компанией Cisco сделала важный шаг к созданию квантового интернета, впервые продемонстрировав возможность соединения запутанных квантовых сигналов через несколько точек с использованием уже существующего телекоммуникационного оптоволокна. Этот эксперимент знаменует собой переход от лабораторных исследований к реальным городским сетям, где законы физики делают перехват информации физически невозможным, в отличие от современных классических сетей.

Ключевым элементом, приближающим квантовую сеть к видению полноценного квантового интернета, является процесс, называемый обменом запутыванием. Он позволяет частицам света, которые никогда не взаимодействовали друг с другом, стать запутанными, соединяя тем самым короткие сетевые сегменты в единую большую сеть. Именно этот этап долгое время оставался узким местом в развитии технологии. Тайлер Коуэн, аспирант, работающий под руководством Джавада Шабани, директора Центра квантовой информационной физики и Квантового института NYU, который построил один из источников запутанных частиц для эксперимента, отметил, что их работа показывает возможность соединения квантовых устройств в масштабах целого города с использованием реальной инфраструктуры, а не только в лабораторных условиях.

Эксперимент, результаты которого были представлены на ежегодном собрании Американского физического общества в марте, а препринт опубликован на arXiv, развивает успех демонстрации 2023 года. Тогда NYU и Qunnect впервые показали, что квантовые сигналы могут передаваться по коммерческому волокну между Бруклином и Манхэттеном. Новая работа идет значительно дальше, добавляя третий узел и технологию обмена запутыванием, чтобы соединить сигналы в структуру, которая уже начинает напоминать полноценную сеть. Трехузловой эксперимент соединил два узла в помещении Qunnect на Бруклинской военно-морской верфи с узлом в коммерческом дата-центре QTD на 60 Хадсон-стрит в Манхэттене, который выступил в роли центрального хаба сети. Такая архитектура типа «звезда», где простые периферийные узлы соединяются через более сложный центральный узел с криогенными детекторами, позволяет эффективно управлять условиями реального мира.

Роль NYU в проекте была как экспериментальной, так и стратегической: исследователи помогли спроектировать систему, создали один из сетевых узлов и подтвердили качество запутывания, полученного через весь город. Qunnect предоставила квантовое оборудование, включая собственную систему Carina, которая стабилизирует сигналы фотонов при их прохождении через волокно, подверженное воздействию температуры и вибраций. Компания Cisco внесла вклад в виде координирующее программного обеспечения, которое синхронизировало работу всех трех узлов в единую функционирующую сеть. В результате была успешно продемонстрирована операция обмена поляризационным запутыванием через реальное городское волокно, чего ранее не удавалось достичь в таком масштабе. Система достигла скорости обмена около 1,5 событий в секунду по всему городу, сохраняя при этом необходимые корреляции для работающей квантовой сети.

Хотя этот эксперимент не означает немедленного появления квантового интернета, он решает одну из центральных проблем этой области: как надежно соединять независимые квантовые устройства через реальную городскую инфраструктуру. Эта проблема особенно остра за пределами лаборатории, поскольку фотоны легко теряются в волокне, а воздействие внешней среды может разрушить их хрупкие квантовые состояния. Тем не менее, команда показала, что этими эффектами можно управлять в достаточной степени, чтобы поддерживать запутывание в масштабах целого мегаполиса. Кроме того, система спроектирована с возможностью масштабирования: поскольку только центральный узел требует специализированного криогенного оборудования, дополнительные узлы можно добавлять без необходимости воспроизводить эту сложность, что является важным шагом к созданию практических городских сетей или сетей внутри дата-центров.

В ближайшей перспективе наиболее практичным применением такой технологии является квантовое распределение ключей — способ обмена криптографическими ключами, который невозможно перехватить незаметно. В более отдаленном будущем подобные сети могли бы связывать квантовые компьютеры или открывать новые возможности для сенсорики. Для профессора Шабани Нью-Йорк является идеальным полигоном для отработки этих технологий. По его словам, Манхэттен — очень компактное место, где все находится в пределах восьми-десяти километров, и сотни финансовых институтов расположены на крошечной территории. Такая плотность инфраструктуры, институтов и потенциальных пользователей может сделать этот город одним из первых мест, где квантовый интернет начнет обретать реальную форму. Шабани подчеркнул, что наличие этой сети уже сейчас является важным и крупным вложением, которое окупится, вероятно, в ближайшее десятилетие.