Чудо-зеркальце для квантового интернета

Создан первый квантовый маршрутизатор на два порта

Физическую реализацию устройства, которое может стать маршрутизатором квантового интернета будущего, продемонстрировали испанские и шведские физики. Функцию квантового роутера выполняет искусственный атом, встроенный в волновой канал, который может перенаправлять фотон в один из двух портов.

Квантовые компьютеры — это не только вычислительные устройства, использующие такие квантово-механические эффекты, как суперпозиция состояний и спутанность для реализации квантовых алгоритмов и получения колоссального прироста вычислительной производительности, но и устройства квантовой коммуникации: понятно, что квантовую информацию требуется не только изменять, но и передавать.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3729821",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_3743201_i_1"
}

Представить и реализовать канал передачи данных, использующий, например, эффект поляризации фотонов, совсем несложно, если на другом конце канала находится всего один адресат.

Но что если таких адресатов много, а информацию, которую несет в себе поляризация, нужно выборочно передать одному из них?

Тянуть к каждому свой канал было бы неразумно (тем более что мы не знаем, кем окажется наш следующий адресат), легче построить сеть, в узлах которой будут расположены переключатели, переадресующие конкретные фотоны конкретным адресатам.

Но как добиться того, чтобы такой переключатель не просто дублировал поступивший на вход фотон, измеряя его поляризацию, продуцируя точно такой же и направляя дубль в нужные ворота (так работают «классические» маршрутизаторы в оптических сетях, копирующие, конечно, не поляризацию, но последовательность электромагнитных импульсов), а перенаправлял фотоны, не измеряя их, то есть не разрушая информацию?
Последнее условие самое важное, поскольку

поляризация может нести в себе секретную информацию и любое измерение означает ее потерю и компрометацию канала.

Квантовая сцепленность

Квантовая сцепленность — явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов. Например, можно приготовить две частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии так, что когда одна частица наблюдается в состоянии со спином, направленным вверх, то спин другой оказывается направленным вниз. Условно можно сказать, что измерения, проводимые над одной системой, оказывают мгновенное воздействие на сцепленную с ней.

Квантовая сцепленность является основой таких технологий, как квантовый компьютер и квантовая криптография, а также она была использована в опытах по квантовой телепортации. В философском плане данное явление представляет собой одно из наиболее революционных свойств квантовой теории, так как корреляции, предсказываемые квантовой механикой, совершенно несовместимы с представлениями о, казалось бы, очевидной локальности реального мира, при которой информация о состоянии системы может передаваться только посредством её ближайшего окружения. Различные взгляды на то, что происходит во время процесса квантовомеханического сцепления, приводят к различным интерпретациям квантовой механики (многомировой, копенгагенской, теории скрытых параметров и др.).

Сцепленность приводит к интересным взаимоотношениям с принципом относительности, который утверждает, что информация не может переноситься с места на место быстрее, чем со скоростью света.

В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали так называемой ЭПР-парадокс, который показал, что из-за сцепленности квантовая механика становится нелокальной теорией. Известно, что Эйнштейн высмеивал данный феномен, называя его «кошмарным дальнодействием» (spukhafte Fernwirkung), однако впоследствии явление было подтверждено экспериментальною, а ЭПР-парадокс вошел в число самых революционных и глубоких физических предвидений ХХ века.

Явление квантовой сцепленности позволяет создавать системы связи, гарантирующие защиту от прослушивания уже в не слое обработки сигнала (шифрование), а на уровне его физического носителя – квантово запутанных объектов (электронов, фотонов и даже атомов, а также, в теории, соединений атомов).

Заметим, что в копирующих импульсы «классических» маршрутизаторах так оно и происходит, что и заставляет ваш компьютер шифровать сообщения на уровне математического кода, а не физического носителя данных, обладающего особыми уникальными параметрами, как в квантовых каналах.

Первый кандидат на роль такого «нежного» квантового переключателя, который приходит на ум, — это зеркало.

Если адресатов мало и скорость маршрутизации не важна, можно использовать обычное зеркало и вертеть им, отдавая команды по техническому каналу перед каждым сеансом связи. Но когда адресатов миллионы, а скорость переключения измеряется в наносекундах, обычное зеркало, конечно, не годится.

Похоже, что рецепт волшебного зеркальца, перенаправляющего одиночные фотоны «входа» в нужный «выход», не нарушая их квантового состояния, нашла международная группа физиков из Чальмерского университета технологий, расположенного в Гетеборге (Швеция), и Испанского национального совета по научным исследованиям, расположенного в Мадриде. О результатах экспериментов с построенным на его основе первым функцинирующим квантовым роутером физики отчитались в статье, опубликованной в авторитетном журнале Physical Review Letters.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3699121",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3743201_i_3"
}

Роль квантового зеркальца в таком роутере сыграл так называемый «искусственный атом» — ансамбль из нескольких атомов, находящийся в суперпозиции трех энергосостояний.

Работать чудо-зеркалом «искусственный атом» заставляет эффект электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП, впервые теоретически предсказанный советскими учеными Яковом Ханиным и Ольгой Кочаровской из Горьковского университета). Он не так известен, как спутанность или суперпозиция, но последние несколько лет его популярность в СМИ резко выросла в связи с нашумевшими экспериментами по «замедлению света».

Суть эффекта в том, что, если воздействовать на искусственный атом двумя резонансными полями с близкими частотами (получившими названия «зондирующего» и «поля накачки»), при определенной комбинации частот атомная среда становится прозрачной для «зондирующих» фотонов.

Собственно, ЭИП и сыграла роль логического переключателя фотонов:

приняв прозрачную фазу за порт № 1, а отражающую за порт № 2, авторам статьи удалось направлять «зондирующие» фотоны в нужные ворота с высокой точностью (99,6%) и скоростью: переключение между режимами происходило за несколько наносекунд.

Авторы не экспериментировали с поляризацией «зондирующих» фотонов, изменяя лишь частоту полей для управления атомным зеркалом, но ничто не мешает нам поляризовать зондирующий импульс и передать нужную информацию в нужные ворота, регулируя лишь его частоту и частоту поля накачки. При этом сами ворота (или те, кто за ними скрывается, например ваш провайдер или спецслужбы) остаются «слепыми» к «истинному» сообщению, то есть значению поляризации, которое на переключение не влияет.

Квантовая криптография

Метод защиты коммуникаций, основанный на определенных явлениях квантовой физики, носит название квантовой криптографии. В отличие от традиционной, использующей математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, теория квантовой криптографии рассматривает случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами. Например, при помощи электронов, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределённость поведения квантовой системы — невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой (принцип неопределённости Гейзенберга).

Используя квантовые явления, можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать подслушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.

Интерес к квантовой криптографии со стороны коммерческих и военных организаций растет, так как эта технология, согласно теории, гарантирует абсолютную защиту. Создатели технологий квантовой криптографии вплотную приблизились к тому, чтобы выпустить их из лабораторий на рынок, обеспечив еще один слой безопасности для нуждающихся в этом организаций.

Изящество предложенного решения еще и в том, что в качестве переключателя используется ансамбль квантово связанных атомов, то есть любые хакерские попытки измерить поведение переключателя извне (как и поляризацию фотонов) могут быть легко обнаружены, поскольку автоматически разрушают квантовую связность всей системы и ведут к потере информации.

Другими словами, используя ЭИП, можно абсолютно засекретить не только само сообщение, но и его маршрут — задача, с которой «классические» маршрутизаторы, копирующие электромагнитные импульсы, полностью никогда не справятся.

Следующим этапом, резюмируют авторы, будет создание многопортового квантового переключателя, использующего эффект ЭИП. Для этого потребуется разместить в одном фотонном волноводе несколько «искусственных атомов», настроенных на разные резонирующие частоты. Десять таких переключателей дадут в сумме уже 20 портов.