Представете си супербързи компютри, които могат да решават проблемите и задачите много по-бързо от познатите ни машини днес. Тези „квантови компютри“ се разработват в лаборатории по целия свят и вече сме писали нееднократно за тях. Учените обаче вече са направили следващата стъпка след тях, като мислят за базиран на фотони квантов интернет, който също ще трябва да бъде толкова бърз. Със сигурност не е лесно да се разработи технология за устройство, което още дори не е технически измислено. Но квантовата комуникация е привлекателно поле за научни изследвания - такава технология ще ни позволи да изпращаме съобщения, които са напълно сигурни и гарантирано непробиваеми от физичните закони.

Проблемите на квантовата технология

Всъщност са налични няколко проблема, които ще трябва тепърва да бъдат решени, за да се създаде реално работещ квантов интернет. След малко ще разберете какви са те, но нека съвсем накратко опиша какво представлява квантовият компютър (ако случайно сте забравили).

Квантовият компютър е прототип на машина, която може да решава изключително трудни математически задачи с невероятна по днешните представи скорост – далеч отвъд границите на тази на днешните „класически“ компютри. При конвенционалните компютри единицата информация се нарича „бит“ и може да има стойност 1 или 0. Нейният еквивалент в квантовите системи се нарича qubit (квантов бит, кюбит), като може да бъде… едновременно 1 и 0! Това физично явление отваря съвсем нови врати пред възможностите на програмистите. По този начин те могат да извършват едновременно много изчисления. Кюбитите обаче трябва да бъдат синхронизирани, като се използва квантовият ефект, известен като квантово сплитане.

Самият Алберт Айнщайн е предрекъл този процес, наричайки го „призрачен ефект на големи разстояния“. Той е изключително странен, защото промяната на единия квант от двойката води до незабавната промяна на „сплетения“ с него, независимо от разстоянието! Дори вторият да се намира на огромно разстояние!

В момента най-големите корпорации в света, като IBM, DELL, HP и др., разработват четири типа квантови компютри, чиито принципи на действие използват:

1.       Светлинни частици (фотони)

2.       Прихванати частици (йони)

3.       Кюбити свръхпроводници

4.       Метод на липсващите азотни атоми в диаманти

Квантовите компютри ще позволят множество полезни приложения, като например да моделиране на хиляди варианти на химически реакции с цел откриване на нови лекарства; разработване на нови технологии в здравеопазването с цел по-добро откриване на проблеми в тялото; или дори ускоряване на начина, по който проектираме батерии, създаване на нови материали, гъвкава електроника и много други.

Ето и основните проблеми, които науката трябва да реши, за да създаде работеща комуникационна квантова мрежа:

1.       Създаване на „език“ за квантови компютри, който да им позволи да „разговарят“ помежду си

2.       Осигуряване на комуникации, напълно защитени от хакване

3.       Предаване на съобщения на големи разстояния, без да се губят пакети от съобщението

4.       Маршрутизиране на съобщенията в квантова мрежа (рутиращ механизъм)

Как да накараме тази мощ да работи паралелно?

Квантовите компютри може да са много по-мощни от класическите компютри, но някои приложения ще изискват дори още повече изчислителна мощ, отколкото един квантов компютър може да осигури. Затова трябва да бъдат създадени квантови устройства, които да могат да „разговарят“ помежду си. Едва впоследствие ще можете да свържете няколко квантови компютъра в мрежа и да обедините силата им, създавайки паралелна мрежа от квантови компютри.

Въпреки това, тъй като днес съществуват четири различни типа квантови компютри, те няма да могат да разговарят един с друг, без да имат общ език. Някои учени предлагат това да се случва чрез изграждането на „квантов интернет“, базиран изцяло на светлинни частици (фотони), докато други са на обратното становище и смятат, че би било по-лесно да се създадат квантови мрежи, където светлината взаимодейства с материята. На практика ще се нуждаем и от двете, за да накараме Мрежата да работи.

Според всички учени процесът е много труден и скъп, като е изключително сложно да се съхранява цялата информация само във фотони. Тези частици нямат маса и не могат да се „виждат“ една с друга. Те буквално „текат“ една през друга, а не отскачат блъскайки се. И като че ли най-доброто решение е да използваме светлината само за комуникации, докато съхраняването на информация трябва да бъде „традиционно“ - използвайки електрони или атоми (материални частици с тегло и взаимодействия).

Квантовото кодиране и максималната сигурност

Едно от най-важните приложения на квантовия интернет ще бъде използването на квантови ключове (QKD), при които се генерира таен ключ, използващ двойка сплетени фотони (спомняте си този странен ефект, нали?). След това той се използва за криптиране на информацията по начин, който не може да бъде разгадан и кракнат дори от друг квантов компютър.

Фантастичното е, че тази технология вече съществува и беше демонстрирана за пръв път в Космоса от екип изследователи от Националния университет в Сингапур и университета в Стратчайлд, Великобритания, през декември 2015 г.

За да подсигурим нашата информация в квантовото бъдеще, не е достатъчно само криптирането. Учените работят върху „слепи квантови компютърни протоколи“, които позволяват на потребителя да скрие абсолютно всичко, което иска от всеки. Представете си това така - можете да напишете програма, да я изпратите към отдалечен традиционен компютър, а човекът отсреща не може да разбере никакви други подробности освен за колко време ще се изпълни програмата и колко памет ще използва. Това е особено важно, защото, когато квантовите компютри се появят на пазара, те ще са много малко, а потребителите ще искат да пускат програми от тях отдалечено - точно както правим днес в „облака“.

Съществуват два различни подхода за изграждане на бъдещите квантовите мрежи - наземна и космическа мрежа. И двата метода работят добре за изпращане на информация по класическия начин през интернет днес. Но ако искаме да изпратим данни като кюбити в бъдеще, това ще се окаже много по-сложно.

За да изпратим частици светлина (фотони), можем да използваме оптични кабели под земята. Светлинният сигнал обаче се влошава на дълги разстояния, тъй като оптичните кабели понякога абсорбират фотоните или самата среда не е съвършена. Този проблем е възможно да бъде решен донякъде чрез изграждане на „ретранслаторни станции“ на всеки 50 километра. Но те всъщност трябва да представляват миниатюрни квантови компютри, които „ремонтират сигнала“, преди да го препратят към следващия възел в мрежата. Такава система ще има свои собствени усложнения.

Квантовият интернет – наземен или сателитен?

Дали спътниковите комуникационни системи ще помогнат? Да приемем, че искате да изпратите съобщение от България към приятел в Австралия. Светлинният сигнал се излъчва от наземна станция към сателит, със светлинен източник, монтиран върху нея. Сателитът приема и препраща светлинния сигнал към друг спътник, който след това връща сигнала до наземна станция в Австралия. След това съобщението може да се предава чрез наземната квантова мрежа или класическата интернет мрежа на Австралия.

Тъй като между спътниците няма въздух, то няма и среда, която да поврежда сигнала. Така че, ако искаме да имаме истински квантов интернет в глобален мащаб, вероятно единственото решение, което ще работи на практика, е космическото, макар и най-скъпото.

Квантовата телепортация в Космоса се провежда вече успешно и учените днес се опитват да я накарат да работи на все по-дълги и по-дълги разстояния. През юни тази година учени от Китайската академия на науките успяха да телепортират сплетени фотони между два града в Китай, разположени на 1200 километра! Те използваха специално разработен квантов спътник, наречен Мициъс. Същите китайски учени наскоро обновиха собствения си рекорд (на 29 септември) демонстрирайки първия в света междуконтинентален видеоразговор, защитен с квантов ключ. Той бе проведен с колеги от Австрийската академия на науките на разстояние 7700 километра. Разговорът продължи 20 минути, а страните успяха да обменят криптирани снимки на сателита на Мициъс и австрийския физик Шрьодингер.

Как работи квантовото кодиране на интернет връзката?

За да разберем как функционира QKD, нека да разгледаме разговора, състоял се между австрийските и китайските учени. Сателитът Мициъс използва своя светлинен източник за установяване на оптична връзка със станциите в Австрия и наземните станции в Китай. Когато връзката вече е създадена, има среда за генериране на квантов ключ. Точно това се е случило, като учените са били сигурни, че никой не е имал възможност да разбие връзката и да подслушва.

Особеност на квантовото криптиране е, че можете по всяко време да разберете дали някой се е опитал да прихване съобщението, преди то да е стигнало до вас, и дори колко опита за получаване на достъп до него са направени. Така че връзката през Мициъс доказа, че криптирането е максимално защитено и никой не е опитал дори да подслушва видеоразговора. Това даде възможност на демонстрацията да продължи с шифроването на данните с помощта на тайния квантов ключ, като след това те са предавани абсолютно спокойно и сигурно чрез традиционната интернет връзка.

Как работи предаването на съобщения в квантовата мрежа

Няколко групи учени разработват технология за наземни мрежи от квантови ретранслатори, разположени на всеки 50 километра, свързани с оптични кабели. Тези станции, известни още като „квантови мрежови възли“, ще трябва да изпълняват няколко действия, за да пренасочват или изпращат съобщения в мрежата. Всеки възел трябва да поправи и усили сигнала, който е евентуално повреден при преминаването през предишния участък.

Представете си, че използвате стар факс апарат, за да изпратите документ от една страница на някой друг, и всеки път, когато изпращате страницата, липсва част от съобщението. Но пък другата страна трябва да сглоби съобщението в едно цяло, дори да има неуспешни опити. Този пример илюстрира най-общо начина, по който едно съобщение може да бъде изпращано между различни възли от квантовата мрежа.

Съвсем нормално е да има много хора в тази мрежа, които се опитват да разговарят помежду си по едно и също време. Затова възелът или станцията за препредаване също трябва да разбере как да разпредели наличната компютърна мощ, за да комбинира всички изпратени съобщения. Трябва и да е способна да изпраща съобщения между квантовия и класическия интернет.

Университетът в Делфт пък се занимава с изграждане на квантова мрежа, използваща технологията на липсващи азотни атоми в кристалната решетка на диаманти. До момента техниката демонстрира способността си да съхранява и разпространява необходимите връзки за квантови комуникации на доста големи разстояния.

Оксфордският университет и Университетът на Мериленд също изграждат квантови компютри, които работят по подобен начин в мрежа. Техните квантови компютри се състоят от затворени йонни възли, които са свързани помежду си, за да „разговарят“. Колкото по-голям е компютърът, толкова повече възли трябва да добавите, но този тип квантов компютър предава данни само на кратко разстояние. И обратно – ако те са по-малки, ще бъдат по-добре защитени от десинхронизация, но няма да могат да поемат много информация.

Квантова памет

Препредаващата станция (възел) също ще трябва да има чипове с квантова памет. Възлите създават „връзки“, които се състоят от сплетени двойки частици. Тези двойки се приготвят предварително. Докато възелът изчислява маршрута в мрежата, по който съобщението трябва да поеме, то се налага сплетената двойка фотони да се съхрани някъде безопасно. Затова е необходим квантов чип с памет. Той трябва да може да съхранява фотоните за възможно най-дълго време.

Изследователи от Австралийския национален университет (ANU) са разработили клетъчна квантова памет, използвайки кристали, обработени с химичния елемент ербий. Това устройство може да съхранява светлина в определен цвят и да я запазва за повече от една секунда, което е 10 000 пъти повече от всички останали опити досега!

Най-голямото предизвикателство в момента е да се създаде квантова памет с голям капацитет за съхранение на данни. Ако нещо е способно да ограничи скоростта за предаване на данни през мрежата от ново поколение, то определено това ще бъде капацитетът за съхранение на данни. Първите практически резултати от работата на една квантова мрежа вероятно ще се появят не по-рано от пет години. Дано чакането си струва.