IT обозрение

Исследователи из QuTech разработали первое реальное технологическое решение для квантового интернета. Команда учёных во главе с профессором Стефани Венер разработала так называемый протокол канального уровня, переносящий феномен квантового спутывания из области экспериментальной физики в квантовую сеть реального мира. Эта разработка ещё на шаг приближает нас к тому дню, когда квантовый интернет сможет стать реальностью, принеся нам приложения, недоступные в классической Всемирной паутине. Работа исследователей была представлена на ACM SIGCOMM и опубликована в издании Phys.org.

В сфере классических компьютеров набор программных уровней, называемых сетевым стеком, позволяет компьютерам связываться друг с другом. В основе сетевого стека лежат протоколы связи – такие, как интернет-прототкол или HTTP. Стефани Венер объяснила, что одним из важных протоколов, используемых сетью, является протокол канального уровня, решающий проблемы, вызванные несовершенством сети: «Все мы используем классические протоколы канального уровня в своей повседневной жизни. Одним из таких примеров является Wi-Fi, позволяющий использовать ненадёжный радиосигнал, подверженный перебоям и помехам, для организации канала надёжной передачи данных между совместимыми устройствами».

Квантовая сеть, в основе которой лежит передача квантовых битов или кубитов, требует такого же уровня надёжности. Стефани отмечает: «В нашей разработке мы предложили стек квантовой сети и создали первый в мире протокол канального уровня для квантовой сети».

Как оказалось, существующие классические протоколы не помогают организовать работу квантового мира. Одна из основных проблем связана с различием используемых технологий. Венер объясняет: «В настоящее время кубиты не могут храниться в памяти на протяжении очень длительного времени. Это означает, что контрольные решения касательно того, что именно с ними следует делать, должны приниматься очень быстро. Создав этот протокол канального уровня, мы смогли преодолеть препятствия, связанные с рядом законов физики».

Есть целый ряд фундаментальных различий между квантовым интернетом будущего и интернетом, который мы имеем сегодня. Стефани Венер сказала, что два квантовых бита могут быть спутаны между собой: «Такое спутывание похоже на соединение. Это очень отличается от ситуации, характерной для классических протоколов канального уровня, где мы обычно просто отправляем сигналы. В этом случае нет смысла в организации встроенного соединения на фундаментальном уровне».

Квантовый интернет

В основе работы квантового интернета лежит феномен спутанности. Когда две фундаментальные частицы спутаны между собой, они связаны друг с другом таким образом, что ничто иное не может иметь никакой доли в этой связке. Исследователь Аксель Дальберг отмечает, что всё это позволяет пользоваться целым рядом новых приложений и функций. «Безопасность – одна из важнейших особенностей такой сети. Физически невозможно прослушать спутанное сетевое соединение между двумя пользователями. Ещё одним достижением является то, что новая технология также позволяет улучшить синхронизацию часов, а ещё может объединять астрономические телескопы, которые находятся на большом расстоянии друг от друга, таким образом, что они начинают работать как один огромный телескоп».

Исследователь Мэтью Скшипчик указывает на тот факт, что важной особенностью предлагаемого стека квантовой сети и протокола канального уровня является то, что любое будущее программное обеспечение, написанное с использованием данного протокола, будет совместимо со многими квантовыми аппаратными платформами. «Тому, кто использует наш протокол канального уровня, более не нужно будет знать о том, какое именно квантовое оборудование лежит в основе системы. В своей работе мы изучаем азотно-замещённые вакансии в алмазах, которые, по сути, являются небольшими квантовыми компьютерами. Впрочем, наш протокол также может быть использован, к примеру, в ионных ловушках. Это говорит о том, что наш протокол канального уровня может быть использован в будущем во многих различных типах квантового оборудования».

Создание квантовой сетевой системы

Стефани Венер анонсирует, что следующим шагом станет тестирование и демонстрация нового протокола сетевого уровня с использованием протокола канального уровня: «Наш протокол канального уровня позволяет нам надёжно генерировать спутывание между двумя сетевыми узлами, соединёнными прямой физической линией связи, такой как телекоммуникационное волокно. Следующим шагом является создание спутывания между узлами сети, которые не соединены напрямую с помощью волокна, через использование промежуточного узла. Для организации масштабных квантовых сетей важно выйти за рамки физического эксперимента и двигаться дальше по направлению к созданию квантовой сетевой системы. Это является одной из задач финансируемого ЕС Альянса Квантового Интернета (QIA)».

Источник: mediasat.info