Интернет следующего поколения будет опираться на революционные технологии, позволяющие создавать сети, которые невозможно взломать, и информацию, которая перемещается со скоростью, превышающей скорость света.
Автор: Дэн Херли
Можно называть это место квантовым райским садом, что расположен примерно в пятидесяти милях к востоку от Нью-Йорка, в кампусе Брукхейвенской национальной лаборатории. Иден Фигероа — один из первых в мире «садоводов», сеющих семена квантового Интернета. Способный отправлять огромные объемы данных на огромные расстояния, он будет работать не только быстрее, чем текущий Интернет, но и быстрее скорости света — фактически мгновенно, как телепортация мистера Спока и капитана Кирка в «Звездном пути».
Мы сидим в светлом кафетерии Брукхейвена, длинные черные волосы Фигероа сложены в хвост. Мужчина — уроженец Мексики, доцент Университета Стоуни-Брук — пытается объяснить, как это будет работать. Он хватает две пластиковые крышки для кофейных чашек, солонку, шейкер для перца и небольшую чашку воды и начинает перемещать их по обеденному столу, как фокусник карточки.
«Мне нужен детектор здесь и детектор здесь» — говорит он, указывая на две крышки. «Сейчас есть много возможностей. Либо эти двое войдут сюда» — он указывает на солонку, — либо двое войдут туда, кивая на чашку с водой. «А потом, в зависимости от того, что там произошло, это будет состояние — говорит он, поднимая шейкер с черным перцем — что я получаю здесь».
Поняли? Вот и я нет. Но не волнуйтесь. Лишь несколько сотен физиков в США, Европе и Китае действительно понимают, как использовать некоторые из самых странных и сложных аспектов квантовой физики. На этой странной арене объекты могут существовать в двух или более состояниях одновременно, называемых суперпозициями; они могут мгновенно взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях; вспыхивать и исчезать. Такие ученые, как Фигероа, хотят обуздать это странное поведение и превратить его в функционирующий Интернет нового века, который, по их словам, будет надежным средством для отправки защищенных сообщений, недоступных для взлома.
Фигероа уже говорит, что его группа передала то, что он назвал «состояниями поляризации» между кампусами Стоуни-Брук и Брукхейвен, используя оптоволоконную инфраструктуру, что в сумме составляет 85 миль. Керстин Клиз ван Дам, директор Brookhaven Lab’s Computational Science Initiative, говорит, что это «одна из крупнейших квантовых сетей в мире и самая длинная в Соединенных Штатах».
Фигероа надеется телепортировать свои квантовые сообщения по воздуху через пролив Лонг-Айленд в Йельский университет в Коннектикуте. Затем он планирует отправиться на 50 миль на восток, используя существующие оптоволоконные кабели, чтобы соединиться с Лонг-Айлендом и Манхэттеном.
Клиз Ван Дам говорит, что, хотя другие группы в Европе и Китае имеют больше средств и гораздо дольше работают над этой технологией, в США «[Фигероа] лидирует, когда речь идет о знаниях и оборудовании, необходимых для создания квантовых сетей в ближайшие год или два».
Дэвид Авшалом, легенда в этой области, профессор спинтроники и квантовой информации в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета, называет работу Фигероа «фантастическим проектом, который выполняется очень продуманно и очень хорошо. Я всегда осторожно говорю, что что-то самое большое или самое быстрое» — говорит он. «Сейчас во всем мире предпринимаются усилия по созданию прототипов квантовых сетей в качестве следующего шага к созданию квантового Интернета». По его словам, другие усилия по созданию квантовых сетей предпринимаются в Японии, Великобритании, Нидерландах и Китае, не говоря уже о проекте его собственной группы в Чикаго.
В последнее время усилия США были получили поддержку в виде заявления Министерства энергетики в январе о том, что оно потратит до 625 миллионов долларов на финансирование центров квантовых исследований. Этот шаг является частью Национальной квантовой инициативы США, подписанной президентом Дональдом Трампом 21 декабря 2018 года.
Но что на самом деле представляет собой квантовый Интернет? Как это работает? Фигероа, восхищенный своим видением, рассказывал мне о своем плане с заразительным энтузиазмом, иногда смеясь, как если бы все это было настолько просто, что ребенок (или даже специалист по языку) способен это понять. Не желая разочаровывать его, я кивал и делал вид, что знаю, о чем, черт возьми, он говорит.
И, проведя два дня с Фигероа прошлым летом, следуя за ним по кампусу Брукхейвена и близлежащего Стоуни-Брук, лично увидев его футуристическое оборудование, поговорив с другими физиками по всему миру, прочитав несколько книг и просмотрев десятки статей — я начал потихоньку понимать. Не во всех тревожных глубинах, но в целом – по принципу как работает двигатель внутреннего сгорания или унитаз.
Распутывая запутанность
Ведя меня в заднюю комнату своей лаборатории в Стоуни-Брук, где он возглавляет группу квантовых информационных технологий, Фигероа показывает мне большой стол, покрытый лабиринтом крошечных зеркал, лазеров и электроники. «Именно здесь мы создаем эти фотоны, несущие суперпозиции, — говорит он, — которые затем можем отправить в оптоволокно. Понятно? Это очень просто».
Действительно.
Любопытно, что все последствия квантового Интернета можно проследить до эксперимента, настолько простого, что вы можете провести его в своей гостиной. Названный экспериментом с двойной щелью, он был впервые проведен более 200 лет назад британским ученым-ученым Томасом Янгом.
Посветив лучом света на плоскую панель из материала, разрезанного на две части Янг увидел, что свет, проходящий через щели, создает интерференционную картину из темных и ярких полос на экране за панелью. Только волны — световые волны — исходящие из двух щелей могли составить такой узор. Янг пришел к выводу, что Исаак Ньютон, опубликовавший в 1704 году теорию частиц света, был неправ. Свет проходил волнами, а не частицами.
Но к началу 20 века ученые подтвердили, что свет также движется в виде частиц — того, что физик Гилберт Н. Льюис назвал фотонами или квантами. И что невероятно, исследователи обнаружили, что даже когда одиночные фотоны света отправлялись по одному на панель с двумя щелями, интерференционная картина все равно появлялась на другой стороне. Они поняли, что каждая частица также была волной, разлетающейся, как кусок сливочного сыра, и поэтому проходила через обе щели одновременно.
Подумайте об этом. Одиночная частица света находилась сразу в двух местах. Это означало, что если пощекотать частицу в одном месте, она должна засмеяться в другом. Наблюдение за одной частицей позволяет нам понять свойства другой. Эрвин Шредингер назвал это явление запутанностью — именно то, что Фигероа и другие исследователи используют сейчас для передачи информации. Проще говоря, добавление информации, такой как сообщение или данные, к частице в одном месте приведет к появлению данных в другом месте: суть телепортации.
Но как, спрашиваю Фигероа, все эти безумные идеи работают на практике с помощью гаек, болтов и физических устройств?
«Позвольте мне показать вам, как происходит волшебство» — отвечает он.
Квантовая память
«Это всего лишь оборудование и оптика» — говорит он мне, указывая на множество лазеров и зеркал, установленных на большом столе. «То, что люди называют Lego для взрослых». С одной стороны, лазер направляет синие фотоны высокой энергии на кристалл, который разбивает каждый из них на пару красных фотонов меньшей энергии; теперь же каждый из двух образующихся красных фотонов сцеплен с другим. Фигероа указывает путь, по которому фотоны проходят от зеркала к зеркалу. «Они делают буп, буп, буп, буп, буп-буп-буп-буп. Вот почему у нас есть эта прекрасная система. На самом деле это работает. И это прекрасно» — говорит он.
После запутывания один красный фотон отправляется на небольшое расстояние к детектору в лаборатории Фигероа в коридоре, а другой может быть отправлен на расстояние в дюжину миль к детектору в Национальной лаборатории Брукхейвена. Различное расстояние может привести к тому, что время прибытия двух фотонов немного рассинхронизируется, что нарушит их сцепление. Чтобы предотвратить это, Фигероа пришлось найти способ согласовать время прибытия каждого с точностью до субнаносекунды.
Но как? Другие квантовые лаборатории замораживают свои домашние фотоны почти до абсолютного нуля, чтобы нажать на тормоза. Нововведение Фигероа, напротив, работает при комнатной температуре: стеклянная трубка длиной в дюйм, содержащая туман из триллионов атомов рубидия. В то первое утро, когда я прихожу в лабораторию Фигероа, он вкладывает мне в руку одну из этих пробирок.
«Что это такое?» — спрашиваю я.
Он улыбается и говорит: «Квантовая память».
Фигероа рассказал мне, что когда он защищал докторскую диссертацию в Университете Констанца в Германии, то спросил своего профессора, можно ли создать систему, которая работала бы при комнатной температуре без дорогостоящих и сложных морозильных камер.
«Я так не думаю» — звучал ответ. «Но ты можешь попробовать доказать, что я ошибаюсь».
Так он и сделал. Отражая фотоны от ряда тщательно расположенных зеркал и бомбардируя туман из атомов рубидия с помощью сети лазеров, Фигероа обнаружил, что он может настраивать длины волн запутанных фотонов, чтобы передавать сигнал, который могут принимать электроны в рубидиевом тумане. Вуаля! Запутанное состояние фотона мгновенно передается всему облаку атомов. Спустя долю наносекунды запутанный фотон движется дальше и достигает детектора в тот же момент, что и его двойник.
Невероятно, но после получения докторской степени в 2012 году Фигероа уменьшил всю систему для хранения квантовой памяти в портативном устройстве размером меньше ручной клади, достаточно маленьком, чтобы его можно было установить на обычной стойке компьютерных серверов в центре обработки данных. Как позже в тот же день сказал мне его коллега и соратник Димитриос Катраматос: «Они портативные, верно? Поэтому однажды мы погрузили некоторых из них в фургон и привезли из Стоуни-Брук в Брукхейвен».
«Он управлял фургоном своей жены» — смеясь, вспоминает Фигероа. «С тех пор мы называем его квантовым фургоном».
Смена запутывания
Однако остается еще одна проблема — та, которую ни Фигероа, ни Катраматос (ни какой-либо другой квантовый инженер в мире) полностью не решили: как успешно передавать квантово-запутанные фотоны по волоконно-оптическим кабелям через барьер, который появляется около 60 миль. Помимо этого, фотоны взаимодействуют с кабелем, его корпусом или даже солнечным светом с земли, тем самым разрушая запутывание.
Предлагаемое решение, как объясняет Фигероа, называется «заменой сцеплений». И квантовые инженеры по всему миру пытаются применить эту концепцию к рабочему прототипу.
«Идея существует уже 20 лет» — говорит Михаил Лукин, ведущий квантовый теоретик и экспериментатор Гарвардского университета. «До сих пор никому не удалось создать устройство, которое можно было бы использовать на практике. Насколько я понимаю, именно этим и пытается заниматься группа [Фигероа]».
Чтобы объяснить свой план, Фигероа ведет меня в небольшую комнату для собраний, где все это записано на доске.
«Позвольте мне показать вам кое-что действительно классное» — говорит он.
Он объясняет, что вместо того, чтобы создавать только одну пару запутанных фотонов и пытаться отправить ее в лабораторию на расстоянии 100 миль, создается второй набор запутанных пар на двух разных подстанциях, расположенных на отметках 25 и 75. Эти подстанции будут стрелять одним фотоном пары по направлению друг к другу, а другим — по направлению к ближайшей из двух лабораторий. Когда по одному фотону от каждой из двух пар встречается на отметке 50 миль, они запутываются, автоматически запутывая другие фотоны, оставшиеся в отдаленных лабораториях. Как только это запутывание будет разделено, информация, которую хотел отправить Фигероа, может быть телепортирована в лабораторию на расстоянии 100 миль, что позволит преодолеть барьер.
«Вы видите?» — говорит он с очаровательным энтузиазмом. «Легко!».
Квантовое будущее
А как насчет телепортации не только информации, не только сообщений, но и частиц, молекул, клеток или капитана Кирка? Когда в декабре 1997 года было сообщено о первой экспериментальной демонстрации запутанности, физик IBM Чарльз Х. Беннетт заявил New York Times: «Было бы совершенно невозможно сделать это даже с таким маленьким предметом как бактерия» (следует отметить, что Беннет придумал термин квантовая телепортация четырьмя годами ранее, так что можно допустить, что он прав).
Но 21 год спустя, осенью 2018 года, исследователи Оксфордского университета сообщили именно о том, что, по словам Беннета, «совершенно невозможно»: запутывание живой бактерии с фотоном света. Однако не всех физиков убедили выводы, поскольку они основывались на анализе оксфордской группой эксперимента другой команды. Однако никто не знает, как далеко зайдет квантовая революция.
«Многие вещи, которые будут делать эти устройства, мы все еще пытаемся понять» — говорит Фигероа. «На данный момент мы просто пытаемся создать работающую технологию. По-настоящему дальние пределы возможного еще предстоит достичь».
Перед тем как покинуть его, я спрашиваю Фигероа, как его друзья, семья и соседи пытаются понять его загадочную работу. Он рассказывает мне историю о своем тесте. Когда Фигероа проводил постдокторское исследование в Германии, отец его жены приехал в гости. После двухчасовой экскурсии по лаборатории Фигероа спросил, что он обо всем этом думает.
«Я не понял ни одного слова, которое вы там сказали» — сказал его тесть – «но я знаю, что это самое удивительное, что я когда-либо видел».
Я могу лишь посочувствовать мужчине. Именно так я чувствовал себя до того, как посетил Фигероа, неоднократно допрашивал его по телефону и читал его статьи с многообещающими названиями, такими как «Квантовая память с одним атомом» и «Квантовая память сжатого света». Но после всего этого для меня все стало понятным. И я надеюсь, что теперь и для вас тоже.
3 простых шага для создания квантового Интернета своими руками
Шаг 1. Чтобы построить квантовый Интернет, вы начинаете со сплетения двух фотонов, дабы они вели себя как единое целое, независимо от того, как далеко они могут быть разделены. Очень просто. Для этого возьмите один синий фотон высокой энергии, генерируемый лазером, и пропустите его через кристалл, который разделяет фотон на два красных фотона с меньшей энергией. Теперь эти фотоны навсегда запутаны. Вроде как Брэд Питт и Анджелина Джоли, запутавшиеся до скончания веков в роли Бранджелины. А теперь пошлите один из этих фотонов своему приятелю Стивену Спилбергу, а другой оставьте себе.
Кого вы отправили, Брэда или Анджелину? Пока Спилберг не заглянет в глазок, чтобы увидеть, кто находится по ту сторону двери, у вас обоих есть случайный шанс, 50 на 50, увидеть одно или другое. В квантовом мире все существует в статистическом тумане. Но это нормально, потому что Брэд и Анджелина — просто ваши каналы для передачи информации от одного к другому.
Шаг 2. Чтобы послать сообщение от Брэда Анджелине, вам нужен третий фотон. Назовем его Дженнифер Энистон. Пропустите Дженнифер через поляризатор, используемый в солнцезащитных очках, чтобы установить ее атомный полюс в определенное положение на вертикальной и горизонтальной осях. Это дает вам квантовый бит или кубит, который может быть нулём или единицей одновременно. Подобно нулю и единице цифровых данных, кубиты могут быть связаны друг с другом для кодирования любого сообщения, которое вы хотите отправить, например, сценария для нового фильма.
Шаг 3. Вы почти у цели! Теперь вам нужно связать кубит по имени Дженнифер с фотоном по имени Брэд, за который вы цеплялись с тех пор, как отправили Анджелину Спилбергу. Для этого поместите Дженнифер и Брэда в светоделитель. Когда вы это сделаете, Дженнифер запутается не только с Брэдом, но и с Анджелиной в силу уже существовавшей связи Бранджелины. Все трое перепутаны друг с другом.
В итоге получается следующее: поскольку фотоны столь чувствительны, сам акт их измерения (чтобы убедиться, что они действительно запутаны) разрушает их. Итак, и Брэд, и Дженнифер исчезают в вашей лаборатории. Но подождите: у Спилберга все еще есть Анджелина. А Анджелина до сих пор запуталась в информации, которой располагала Дженнифер. Это значит — та да! — информация, которую несла Дженнифер, теперь мгновенно телепортировалась на фотон Спилберга.
И вы сделали это! Осталось надеяться, что Спилберг не забудет поблагодарить вас на Оскаре.
Оригинал: Discovery Magazine
