Skromné ​​prvky zariadenia Closet LL211A popierajú dôležitosť projektu v popredí jednej z najdôležitejších svetových technologických súťaží. Spojený štát , Čína Iní súťažia o využitie zvláštnych vlastností kvantových častíc na spracovanie informácií výkonnými novými spôsobmi – technológiou, ktorá by mohla poskytnúť ekonomické a národné bezpečnostné výhody krajinám, v ktorých dominujú.

Kvantitatívny výskum je pre budúcnosť internetu taký dôležitý, že priťahuje nové federálne financovanie, vrátane nedávno schváleného. Čipový a vedecký zákon. Je to preto, že ak sa problém vyrieši, kvantový internet môže chrániť finančné transakcie a údaje o zdravotnej starostlivosti, zabrániť krádeži identity a zastaviť hackerov nepriateľského štátu v ich stopách.

Len minulý týždeň traja fyzici predplatiteľ Nobelova cena za kvantový výskum, ktorý pomohol pripraviť cestu pre tento internet budúcnosti.

Odpovede na sedem základných otázok o kvantovej technológii

Kvantitatívny výskum musí prekonať ešte veľa prekážok, kým sa rozšíri jeho využitie. Ale banky, zdravotnícke spoločnosti a iní začali experimentovať s kvantovým internetom. Niektoré odvetvia tiež záplatovanie Používanie kvantových počítačov v ich ranom štádiu, aby zistili, či môžu nakoniec vyriešiť problémy, ktoré súčasné počítače nedokážu, ako napríklad objavenie nových liekov na liečbu nevyliečiteľných chorôb.

Je príliš skoro predstaviť si všetky potenciálne aplikácie, povedal Grant Smith, postgraduálny študent v tíme kvantového výskumu na Chicagskej univerzite.

„Keď ľudia prvýkrát vytvorili počiatočné intranety spájajúce počítače na úrovni výskumu, univerzít a národných laboratórií, nemohli predvídať elektronický obchod,“ povedal počas nedávnej prehliadky univerzitných laboratórií.

Štúdium kvantovej fyziky začalo na začiatku 20. storočia, keď vedci zistili, že najmenšie objekty vesmíru – atómy a subatomárne častice – sa správajú inak ako hmota vo veľkom svete, napríklad sa objavujú na viacerých miestach súčasne. .

Tieto objavy, nazývané prvá kvantová revolúcia, viedli k novým technológiám, ako sú laser a atómové hodiny. Výskum však teraz privádza vedcov bližšie k využitiu ďalších síl kvantového sveta. David Oshalom, profesor na Pritzkerovej škole molekulárneho inžinierstva na Chicagskej univerzite a vedúci kvantového tímu, to nazýva druhou kvantovou revolúciou.

Toto pole sa podľa neho „snaží vytvoriť spôsob, akým sa príroda správa na najzákladnejších úrovniach pre náš svet, a využiť toto správanie v nových technológiách a aplikáciách.“

Dnešné počítače a komunikačné siete ukladajú, spracúvajú a prenášajú informácie tak, že ich rozdeľujú na dlhé prúdy bitov, ktoré sú zvyčajne elektrické alebo svetelné impulzy predstavujúce nulu alebo jednotku.

Kvantové častice, známe aj ako kvantové bity, príp qubitmôžu existovať ako nuly a jednotky súčasne, alebo kdekoľvek medzi tým, flexibilita známa ako „prekrytie“, ktorá im umožňuje spracovávať informácie novými spôsobmi. Niektorí fyzici to prirovnávajú k súčasne rotujúcej minci v prípade hlavy a chvosta.

Kvantové bity môžu tiež zobraziť“zamotať„kde sú dve alebo viac častíc úzko prepojené a úplne sa navzájom zrkadlia, aj keď sú oddelené veľkou fyzickou vzdialenosťou. Albert Einstein to nazval „desivá akcia na diaľku.“

Hardvér kabinetu je pripojený k 124-míľovej optickej sieti, ktorá sa tiahne od univerzitného kampusu Southside v Chicagu až po dve federálne financované laboratóriá na západných predmestiach, ktoré spolupracujú na výskume – Argonne National Laboratory a Fermi National Accelerator.

Tím používa fotóny – kvantové častice svetla – na odosielanie šifrovacích kľúčov cez sieť, aby zistil, ako dobre prechádzajú vláknami, ktoré prechádzajú popod diaľnice, mosty a mýtne búdky. Kvantové častice sú veľmi citlivé a majú tendenciu zrútiť sa pri najmenšej poruche, ako je vibrácia alebo zmena teploty, takže ich posielanie na veľké vzdialenosti v reálnom svete je ťažké.

V skrinke v suteréne univerzity kus hardvéru japonskej spoločnosti Toshiba vyžaruje zapletené páry fotónov a posiela jeden z každého páru cez sieť do Argonne, ktoré je 30 míľ ďaleko, v Lemonte, Illinois. Jediný šifrovací kľúč je zašifrovaný v reťazci párov fotónov.

Keďže sú páry prepojené, sú navzájom úplne synchronizované. „V istom zmysle sa na to môžete pozerať ako na jednu informáciu,“ povedal Oshalom.

Keď putujúce fotóny dosiahnu Argon, vedci ich zmerajú a vytiahnu kľúč.

Každý, kto sa pokúsi hacknúť sieť na zachytenie kľúča, zlyhá, povedal Oshalom, pretože zákony kvantovej mechaniky stanovujú, že akýkoľvek pokus o pozorovanie častíc v kvantovom stave automaticky zmení častice a zničí prenášané informácie. Tiež upozorní odosielateľa a príjemcu na pokus o odpočúvanie.

To je jeden z dôvodov, prečo vedci veria, že technológia má takú nádej.

Amazon sa pripája k pretekom na kvantovom počítači s novým centrom Caltech

„Je potrebné prekonať obrovské technické ťažkosti, ale môžete tvrdiť, že by sa to mohlo stať rovnako dôležitým ako technologická revolúcia v 20. storočí, ktorá nám dala laser, tranzistor, atómové hodiny, a teda aj GPS a internet. ,“ povedal o objavoch Stephen Gervin, profesor fyziky na Yale University.Moderná kvantová technológia.

V laboratóriu vedľa skrinky sa Oshalom a jeho kolegovia pokúšajú vyvinúť nové zariadenia, ktoré pomáhajú fotónom prenášať informácie na väčšie vzdialenosti. Miestnosť je stiesnená zbierka laboratórnych zariadení za milióny dolárov, lasery a obrázok motora Thomasa the Tank, pretože jeden z nástrojov neustále škrípe. „Myslím, že je to pre komediálnu hodnotu,“ povedal postgraduálny študent Cyrus Zeledon.

Jeden z problémov, ktoré sa snažia vyriešiť: zatiaľ čo malé častice svetla prechádzajú sklenenými vláknami mriežky, defekty v skle spôsobujú, že svetlo je po určitej vzdialenosti zoslabené. Výskumníci sa teda snažia vyvinúť zariadenia, ktoré dokážu zachytiť a uložiť informácie z častíc svetla počas ich cestovania a potom tieto informácie poslať späť dopredu pomocou novej častice – ako je napríklad Photon Pony Express.

Zeledon mal na sebe fialové gumené rukavice, aby nepoškodil povrch, a chytil malú dosku s obvodmi obsahujúcu dva čipy z karbidu kremíka, ktoré on a jeho kolegovia testujú ako zariadenie na ukladanie a ovládanie informácií z kvantových qubitov. Neskôr v ten deň Zeledon plánoval ochladiť čipy na extrémne nízke teploty a preskúmať ich pod mikroskopom, pričom hľadal kvantové bity, ktoré implantoval do čipov, ktoré by potom mohol spracovať pomocou mikrovĺn na výmenu informácií s fotónmi.

Jedného rána sa na druhom konci siete argonský vedec Joe Hermans, bývalý študent Oshalomu, ospravedlnil za hlasné škrípanie, ktoré sa tiež ozývalo jeho laboratóriom. Kde bol jeho obrázok tankového motora Thomas? „Snažíme sa tu pôsobiť trochu profesionálnejšie,“ zavtipkoval.

Hermanns a jeho kolegovia sa tiež snažia vyvinúť nové zariadenia a materiály, ktoré pomôžu fotónom prenášať kvantové informácie na väčšie vzdialenosti. Jeden sľubný materiál je syntetický diamant, povedal, keď krútil hlavou smerom k reaktoru, v ktorom rastú diamanty ľadovcovým tempom nanometrov za hodinu.

Federálne financovanie z Zákon národnej kvantovej iniciatívyLaboratórium, ktoré prešiel Kongresom a podpísal prezident Donald Trump v roku 2018, nedávno pomohlo laboratóriu kúpiť druhý reaktor, ktorý bude rýchlejšie pestovať diamanty. The Čipový a vedecký zákonktorú prezident Biden podpísal v auguste, poskytuje dodatočnú podporu výskumu a vývoja, ktorá posilní kvantitatívne úsilie.

Hermanns v rohu svojho laboratória poukázal na stroj Toshiba podobný stroju na Chicagskej univerzite. Odtiaľ súprava farebných drôtov prenáša signály do a z mriežky, ktoré sa po opustení laboratória rozbehnú v krátkej slučke popod neďaleké Ikea a Buffalo Wild Wings, než vystrelia ktorýmkoľvek smerom k univerzite a Fermilabu.

Vedci vykonávajú experimenty na podobnej testovacej koristi v Bostone, New Yorku, Marylande a Arizone. Experimentálne siete existujú aj v Holandsku, Nemecku, Švajčiarsku a Číne.

Cieľom je jedného dňa pripojiť každú z týchto testovacích základní prostredníctvom optických a satelitných prepojení s rodiacim sa kvantovým internetom pokrývajúcim Spojené štáty a nakoniec aj celý svet. S rastom siete by sa v ideálnom prípade mohla použiť nielen na odosielanie šifrovaných informácií, ale aj na pripojenie kvantových počítačov na zvýšenie ich výpočtového výkonu, ako to robí cloud pre existujúce počítače.

„Myšlienka kvantového internetu sa práve rodí,“ povedal Smith.