Совместная работа исследователей из Нью-Йоркского университета (NYU), бруклинского квантового стартапа Qunnect и компании Cisco позволила сделать значительный прогресс в разработке квантового интернета. Впервые ученые продемонстрировали возможность передачи запутанных квантовых сигналов через несколько узлов, используя существующую оптоволоконную инфраструктуру для телекоммуникаций. Этот эксперимент указывает на возможность перехода от лабораторных разработок к практическим городским сетям, где принципы физики обеспечивают невозможность перехвата данных, что существенно отличает их от современных классических сетей.
Важным шагом на пути к созданию квантового интернета, соответствующего его концепции, является обмен запутыванием. Эта процедура обеспечивает возможность связать частицы света, не вступавшие ранее во взаимодействие, создавая таким образом запутанность и объединяя небольшие сетевые участки в единую, масштабную сеть. На протяжении длительного времени именно этот этап сдерживал прогресс в развитии технологии. Тайлер Коуэн, аспирант, работающий под руководством Джавада Шабани, директора Центра квантовой информационной физики и Квантового института NYU, который участвовал в создании источника запутанных частиц для эксперимента, подчеркнул, что их исследование демонстрирует перспективу объединения квантовых устройств в масштабах города, используя существующую инфраструктуру, а не только лабораторное оборудование.
В марте на ежегодном собрании Американского физического общества были представлены результаты эксперимента, а его предварительная версия опубликована на , продолжение демонстрации, начавшейся в 2023 году, свидетельствует об успехе. Впервые в то время Нью-Йоркский университет (NYU) и Qunnect продемонстрировали передачу квантовых сигналов по стандартным оптоволоконным линиям связи между Бруклином и Манхэттеном. Новое исследование значительно расширяет эти возможности, включая в себя третий узел и технологию обмена запутыванием для объединения сигналов в структуру, все больше походящую на настоящую сеть. В ходе эксперимента с тремя узлами два узла, расположенные в помещении Qunnect на Бруклинской военно-морской верфи, были соединены с узлом в коммерческом дата-центре QTD по адресу Хадсон-стрит, 60, в Манхэттене, который выполнил роль центрального хаба сети. Подобная «звездчатая» архитектура, при которой периферийные узлы соединяются через более сложный центральный узел, оснащенный криогенными детекторами, позволяет эффективно компенсировать влияние реальных условий.
NYU внесла как новаторский, так и стратегически важный вклад в проект: специалисты провели проектирование системы, создали один из сетевых узлов и убедились в качестве квантовой запутанности, распространявшейся по всему городу. Qunnect обеспечила квантовое оборудование, в том числе собственную систему Carina, предназначенную для стабилизации фотонных сигналов во время их передачи по волоконному каналу, чувствительному к колебаниям температуры и вибрациям. Компания Cisco предоставила программное обеспечение, которое координировало работу всех трех узлов, объединяя их в единую сеть. В итоге была впервые реализована успешная демонстрация обмена поляризационным запутыванием через городскую волоконно-оптическую сеть, ранее недостижимую в таком масштабе. Достигнутая скорость обмена составила приблизительно 1,5 события в секунду на протяжении всей городской территории, при этом были сохранены необходимые корреляции для функционирования квантовой сети.
Несмотря на то, что данный эксперимент не предвещает скорого создания квантового интернета, он позволяет решить одну из ключевых задач в этой сфере: обеспечение надежного соединения независимых квантовых устройств с использованием существующей городской инфраструктуры. Эта задача особенно актуальна за пределами лабораторных условий, так как фотоны склонны к потерям в оптическом волокне, а внешние факторы способны нарушить их деликатные квантовые состояния. Однако исследователи продемонстрировали, что возможно контролировать эти факторы в достаточной степени, чтобы поддерживать квантовую запутанность на территории мегаполиса. К тому же, система обладает потенциалом для расширения: поскольку только центральный узел нуждается в специализированном криогенном оборудовании, дополнительные узлы могут быть подключены без повторения этой сложной структуры, что является важным этапом на пути к созданию функциональных городских или внутрикорпоративных сетей.
В ближайшем будущем наиболее целесообразным применением данной технологии представляется квантовое распределение ключей – метод обмена криптографическими ключами, который исключает возможность скрытого перехвата. В отдаленной перспективе подобные сети способны соединять квантовые компьютеры или создавать новые возможности для сенсорных систем. Для профессора Шабани Нью-Йорк служит прекрасной площадкой для совершенствования этих технологий. Он отмечает, что Манхэттен – это достаточно компактная территория, где все объекты расположены в радиусе восьми-десяти километров, а сотни финансовых учреждений сконцентрированы на небольшой площади. Такая концентрация инфраструктуры, организаций и потенциальных потребителей может сделать этот город одним из первых мест, где квантовый интернет получит практическое воплощение. Шабани акцентировал внимание на том, что создание этой сети уже сейчас является значительной и существенной инвестицией, которая, вероятно, окупится в течение ближайших десяти лет.