מפה המציגה נתיב של רשת קוונטית דו-צמתית דרך קיימברידג' ובוסטון, מסצ'וסטס. קרדיט: Can Knaut דרך OpenStreetMap
פיזיקאים הדגימו את רשת המחשבים הקוונטית הראשונה במטרו-אזור בבוסטון.
לדמיין אינטרנט קוונטי המסוגל להעביר מידע חסין האקרים ברחבי העולם באמצעות פוטונים המונחים על גבי מצבי קוונטיים שונים זה דבר אחד; הוכחת ההיתכנות שלו בעולם האמיתי היא אחרת לגמרי.
זה בדיוק מה שעשו הפיזיקאים של הרווארד. הם השתמשו בסיב טלקומוניקציה קיים באזור בוסטון בהדגמה של מרחק הסיבים הארוך בעולם בין שני צמתי זיכרון קוונטי עד כה. תחשוב על זה כעל אינטרנט פשוט וסגור בין נקודות A ו-B, הנושא אות המקודד לא על ידי ביטים קלאסיים כמו האינטרנט הקיים, אלא על ידי חלקיקי אור בודדים מאובטחים לחלוטין.
עבודה פורצת דרך ברישות קוונטיות
העבודה פורצת הדרך, שפורסמה ב-15 במאי בכתב העת טֶבַעהובל על ידי מיכאיל לוקין, הפרופסור מאוניברסיטת ג'ושוע ובת' פרידמן במחלקה לפיזיקה, בשיתוף עם הפרופסורים מרקו לונקר והונגקון פארק מאוניברסיטת הרווארד, כולם חברים ביוזמת הקוונטים של הרווארד, לצד חוקרים בשירותי האינטרנט של אמזון.
צוות הרווארד ביסס את המרכיבים המעשיים של האינטרנט הקוונטי הראשון על ידי הסתבכות של שני צמתי זיכרון קוונטי המופרדים על ידי קישור סיב אופטי הפרוס על פני לולאה של בערך 22 מייל דרך קיימברידג', סומרוויל, ווטרטאון ובוסטון. שני הצמתים מוקמו במרחק קומה זה מזה במעבדה למדע והנדסה משולבים של הרווארד.
חידושים טכנולוגיים בזיכרון הקוונטי
זיכרון קוונטי, מקביל לזיכרון מחשב קלאסי, הוא מרכיב חשוב של זיכרון מחובר מחשוב קוונטי עתיד מכיוון שהוא מאפשר פעולות רשת מורכבות ואחסון ואחזור מידע. בעוד שרשתות קוונטיות אחרות נוצרו בעבר, זו של צוות הרווארד היא רשת הסיבים הארוכה ביותר בין מכשירים שיכולה לאחסן, לעבד ולהעביר מידע.
כל צומת הוא מחשב קוונטי קטן מאוד, העשוי מרסיס של יהלום שיש לו פגם במבנה האטומי שלו הנקרא מרכז סיליקון ריק. בתוך היהלום, מבנים מגולפים הקטנים ממאית מרוחב שערה אנושית משפרים את האינטראקציה בין מרכז הסיליקון הפנוי לאור.
מרכז הסיליקון לריק מכיל שני קיוביטים, או סיביות של מידע קוונטי: האחד בצורה של ספין אלקטרוני המשמש לתקשורת, והשני בספין גרעיני ארוך יותר המשמש כקיוביט זיכרון לאחסון הסתבכות (הקוונטי-מכני תכונה המאפשרת התאמה מושלמת של מידע על פני כל מרחק). שני הספינים ניתנים לשליטה מלאה עם פולסים של מיקרוגל. מכשירי יהלום אלה – רק כמה מילימטרים רבועים – נמצאים בתוך יחידות קירור דילול המגיעות לטמפרטורות של -459 פרנהייט.
אתגרים ופתרונות ברשת קוונטית
שימוש במרכזי סיליקון פנויים כהתקני זיכרון קוונטי עבור פוטונים בודדים הייתה תוכנית מחקר רב שנתית בהרווארד. הטכנולוגיה פותרת בעיה מרכזית באינטרנט הקוונטי המשוער: אובדן אות שלא ניתן להגביר בדרכים מסורתיות. רשת קוונטית לא יכולה להשתמש במחזירי אותות סטנדרטיים של סיבים אופטיים מכיוון שהעתקה של מידע קוונטי שרירותי היא בלתי אפשרית – מה שהופך את המידע לאבטח, אך גם קשה מאוד להעברה למרחקים ארוכים.
צמתי רשת מבוססי מרכז סיליקון יכולים לתפוס, לאחסן ולסבך פיסות מידע קוונטי תוך תיקון לאובדן אות. לאחר קירור הצמתים לסגור אפס מוחלטהאור נשלח דרך הצומת הראשון ומטבעו של המבנה האטומי של מרכז הסיליקון, מסתבך איתו.
צפי עתידי עבור האינטרנט הקוונטי
"מכיוון שהאור כבר הסתבך עם הצומת הראשון, הוא יכול להעביר את ההסתבכות הזו לצומת השני", הסביר הסופר הראשון Can Knaut, סטודנט לתואר שני לאמנויות ומדעים של קנת סי. גריפין במעבדתו של לוקין. "אנחנו קוראים לזה פוטון-הסתבכות מתווכת."
במהלך השנים האחרונות, החוקרים שכרו סיבים אופטיים מחברה בבוסטון כדי להפעיל את הניסויים שלהם, תוך התאמת רשת ההדגמה שלהם על גבי הסיבים הקיימים כדי לציין שיצירת אינטרנט קוונטי עם קווי רשת דומים תהיה אפשרית.
"להראות שצמתי רשת קוונטיים יכולים להסתבך בסביבה האמיתית של אזור עירוני עמוס מאוד, היא צעד חשוב לקראת יצירת רשתות מעשית בין מחשבים קוונטיים", אמר לוקין.
רשת קוונטית בעלת שני צמתים היא רק ההתחלה. החוקרים עובדים במרץ כדי להרחיב את הביצועים של הרשת שלהם על ידי הוספת צמתים והתנסות בפרוטוקולי רשת נוספים.
העבודה נתמכה על ידי הברית המחקרית של AWS Center for Quantum Networking עם יוזמת הקוונטים של הרווארד, הקרן הלאומית למדע, המרכז לאטומים אולטרה-קרים (מרכז NSF Physics Frontiers), המרכז לרשתות קוונטיות (מרכז מחקר הנדסי של NSF), משרד חיל האוויר למחקר מדעי, ומקורות נוספים.
