Представете си мощта на стотици суперкомпютри, събрани в едно устройство, което може да моделира нови лекарства на молекулярно ниво или да създава материали с безпрецедентни свойства. Това не е научна фантастика, а обещание за света на квантовите изчисления. Тази невероятна мощ обаче доскоро имаше един основен недостатък: изолацията. Квантовите компютри, подобно на самотните гении, не умееха да комуникират помежду си на големи разстояния. Но какво би станало, ако мрежата на бъдещето не изисква изграждането на нова инфраструктура, а може да използва вече съществуваща такава?

Точно такъв пробив е направил екип от инженери от Университета на Пенсилвания. В експеримент, който може да се нарече революционен, те изпратиха квантови данни по стандартен оптичен кабел от търговския провайдър на интернет услуги Verizon, като използваха същия интернет протокол (IP), който в момента доставя тази статия на вашия екран. Това не е просто технически трик, а може би първата практическа стъпка към превръщането на различните квантови устройства в единна глобална мрежа.

Защо квантите така не харесват нашия интернет?

За да разберем мащаба на постижението, трябва да осъзнаем каква е основната пропаст между класическия и квантовия свят. Познатият ни интернет работи по прости правила. Данните в него са потоци от светлина, кодирани като нули и единици. Мрежовото оборудване (рутери, суичове) постоянно „гледа“ тези данни, прочита адреса на местоназначението и насочва мрежовия пакет в правилната посока. Този процес на „четене“ е абсолютно безвреден за класическата информация.

При квантовата информация е точно обратното. Той се основава на удивителни явления като квантовото заплитане. Представете си две частици, свързани с невидима нишка: каквото и да се случи с едната от тях, другата ще реагира мигновено, дори да са разделени от километри. В тази крехка връзка се крие цялата магия. Но има една уловка: щом се опитате да „погледнете“ подобна частица, за да разберете нейното състояние, цялата квантова магия изчезва. Измерването разрушава заплитането.

Така се получава странен парадокс: за да изпратите квантов сигнал по мрежата, трябва да знаете къде отива. Но за да знаете това, трябва да го измерите, а измерването го унищожава. Ето защо създаването на квантов интернет изглеждаше като задача, изискваща напълно нова, отделна инфраструктура.

Локомотив за квантовия влак

Инженери от Пенсилвания измислиха гениално прост начин за заобикаляне на проблема. Тяхното решение е миниатюрен „Q-чип“, който действа като интелигентен диспечер на влакова гара. Идеята е никога да не се докосва самият ценен квантов „товар“.

Вместо това чипът генерира хибриден пакет от данни, който прилича на влак. Напред се устремява „локомотивът“ – обичайният, класически светлинен сигнал. Той съдържа цялата служебна информация: адреса на местоназначението, данните за корекция на грешките и т.н. А до него, в „запечатан вагон“, пътува крехкият квантов сигнал – самите заплетени частици.

Мрежовото оборудване по пътя взаимодейства само с „локомотива“. То прочита заглавието му, разбира къде да насочи целия „влак“ и го изпраща по-нататък по маршрута. Самият квантов „вагон“ остава недокоснат. Той не се измерва или проверява – просто следва своя класически кондуктор. Този подход позволи да се направи невероятното: да се накарат квантовите данни да се подчиняват на правилата на стандартния интернет протокол (IP). Всъщност учените са накарали квантовата информация да се „преструва“ на обикновен интернет трафик, използвайки класическия сигнал като паспорт, който може да се показва на всички „постове“ на мрежовата инфраструктура.

Тест в реалността: строителство, метеорологични условия и градски шум

Едно нещо е експериментът да се провежда в стерилните условия на лаборатория, където всичко е перфектно калибрирано. Съвсем друго е да излезете на терен, на реалните търговски линии. Градската оптична мрежа е хаотична среда. Някъде наблизо се извършва строителство, което създава вибрации; температурата на кабела се променя в резултат на метеорологичните промени; преминаващият трафик добавя фонов шум. Всяко от тези влияния е потенциален убиец за крехкото квантово състояние.

И точно тук се проявява втората силна страна на хибридния подход. Класическият „локомотив“ и квантовият „вагон“ пътуват по една и съща „релса“ – оптичното влакно. Това означава, че всички външни смущения (разклащане, температурни скокове) им влияят практически еднакво.

Тъй като класическият сигнал може да се измерва колкото си поискате, инженерите са накарали системата да анализира смущенията в „локомотива“ и въз основа на тези данни да прогнозира какви смущения е получил следващият квантов сигнал. След това чипът прави проактивна корекция, като на практика „поправя“ квантовото състояние, без изобщо да го измерва. При тестовете системата е показала изумителна точност на предаване от над 97%. Това е доказателство, че технологията е жизнеспособна не само на теория, но и в реалния свят.

Какво следва? Пътната карта към квантовото бъдеще

Означава ли това, че утре ще имаме квантов интернет? Не, и авторите на изследването не го крият. Основната пречка пред глобалната мрежа е затихването на сигнала. Квантовите сигнали, както и класическите, отслабват с разстоянието. Но ако един обикновен сигнал може лесно да бъде усилен, то при квантовия това все още е невъзможно – всеки един усилвател по своята същност е измервателно устройство, което ще унищожи заплитането.

Така че на този етап става въпрос за създаване на градски и регионални квантови мрежи, свързващи изследователските центрове и клъстерите от квантови компютри. Постижението на екипа от Пенсилвания не е крайната точка, а по-скоро прокарването на първата отсечка от магистралата към бъдещето. Те не са решили всички проблеми, но са предложили универсален и мащабируем стандарт за решаването им.

Както сполучливо отбеляза един от авторите на статията, това е като през 90-те години на миналия век, когато университетите едва започваха да свързват локалните си компютърни мрежи. Тогава никой не е могъл да предвиди появата на социалните мрежи, стрийминг услугите или онлайн банкирането. Днес се намираме в подобен момент. Инженерите отвориха вратата, като показаха как могат да се комбинират два различни свята – класическият и квантовият. А какви невероятни възможности ни очакват зад тази врата, само времето ще покаже.