Kvantový výskum v laboratóriu University of Chicago by mohol pomôcť zabrániť hackerom a prepojiť budúcu sieť superpočítačov
Skromné ozdoby skrine na vybavenie LL211A popierajú dôležitosť projektu v popredí jednej z najlepších svetových technologických súťaží. Spojené štáty, Čína A iní sa snažia využiť exotické vlastnosti kvantových častíc na spracovanie informácií výkonnými novými spôsobmi – technológiou, ktorá by mohla poskytnúť významné ekonomické a národné bezpečnostné výhody krajinám, ktoré v nej dominujú.
Kvantový výskum je pre budúcnosť internetu taký dôležitý, že čerpá nové federálne financovanie z nedávno prijatého Čipy a zákon vedy. Je to preto, že ak sa to prevalí, kvantový internet by mohol zabezpečiť finančné transakcie a údaje o zdravotnej starostlivosti, zabrániť krádeži identity a zastaviť hackerov nepriateľského štátu v ich stopách.
Len minulý týždeň traja fyzici zdielať Nobelova cena za kvantový výskum, ktorý pomohol pripraviť cestu pre tento budúci internet.
Predtým, ako kvantový výskum dosiahne široké využitie, je potrebné prekonať ešte veľa prekážok. Ale banky, zdravotnícke spoločnosti a iné začali experimentovať s kvantovým internetom. Existujú aj niektoré odvetvia Drotárstvo Kvantové počítače v ranom štádiu ukazujú, že by mohli nakoniec vyriešiť problémy, ktoré súčasné počítače nedokážu, ako je objavovanie nových liekov na liečbu zložitých chorôb.
Grant Smith, postgraduálny študent v tíme kvantového výskumu na Chicagskej univerzite, povedal, že je príliš skoro predstaviť si všetky možné aplikácie.
„Keď ľudia postavili prvé počítače na výskumnej úrovni a prvý internet spájali univerzity a národné laboratóriá, nemohli predpovedať elektronický obchod,“ povedal počas nedávnej prehliadky univerzitných laboratórií.
Štúdium kvantovej fyziky začalo na začiatku 20. storočia, keď vedci zistili, že najmenšia hmota vo vesmíre – atómy a subatomárne častice – sa správajú na rozdiel od hmoty vo väčšom svete, pričom sa zdá, že existuje na viacerých miestach súčasne.
Tieto objavy, nazývané prvá kvantová revolúcia, viedli k novým technológiám, ako sú lasery a atómové hodiny. Výskum však teraz vedcov približuje k využitiu ešte viac podivných síl kvantového sveta. David Auschalom, profesor na Pritzkerovej škole molekulárneho inžinierstva Chicagskej univerzity a vedúci kvantového tímu, to nazýva druhou kvantovou revolúciou.
Táto oblasť sa “snaží vytvoriť spôsob, akým sa príroda správa na najzákladnejšej úrovni v našom svete, a využiť toto správanie pre nové technológie a aplikácie,” povedal.
Existujúce počítače a komunikačné siete ukladajú, spracúvajú a prenášajú informácie ich rozdeľovaním do dlhých prúdov bitov, zvyčajne elektrických alebo optických impulzov predstavujúcich nuly alebo jednotky.
Kvantové častice, známe aj ako kvantové bity, príp qubity, môže existovať ako nula a jedna súčasne, alebo kdekoľvek medzi tým, flexibilita známa ako „superpozícia“, ktorá im umožňuje spracovávať informácie novými spôsobmi. Niektorí fyzici ich prirovnávajú k točiacej sa minci, ktorá je súčasne hlavami a chvostmi.
Kvantové bity môžu tiež zobrazovať „pasca“, kde sú dve alebo viac častíc neoddeliteľne spojené a navzájom sa presne zrkadlia, aj keď sú oddelené veľkými fyzickými vzdialenosťami. Albert Einstein to nazval „strašidelnou akciou na diaľku“.
Skriňový hardvér spája 124-míľovú optickú sieť, ktorá vedie z univerzitného kampusu na južnej strane Chicaga na západnom predmestí k dvom federálne financovaným laboratóriám, ktoré spolupracujú na výskume – Argonne National Laboratory a Fermi National Accelerator Laboratory.
Tím používa fotóny – čo sú kvantové častice svetla – na odosielanie šifrovacích kľúčov cez sieť, aby zistil, ako dobre prechádzajú vláknami, ktoré vedú pod diaľnicami, mostmi a mýtnicami. Kvantové častice sú mimoriadne jemné a náchylné na poruchu pri najmenšom rušení, ako sú vibrácie alebo zmeny teploty, takže je ťažké ich prenášať na veľké vzdialenosti v reálnom svete.
V univerzitnej pivničnej skrini kus hardvéru vyrobeného japonskou spoločnosťou Toshiba vyžaruje zapletené fotóny v pároch a posiela jeden z každého páru cez sieť do Argonne, 30 míľ ďaleko v Lemont, Illinois. Šifrovací kľúč je zakódovaný v reťazci párov fotónov.
Keďže sú páry zapletené, sú navzájom úplne koherentné. “V istom zmysle sa na ne môžete pozerať ako na jedinú informáciu,” povedal Aushalom.
Keď putujúce fotóny dosiahnu Argon, tamojší vedci ich zmerajú a nájdu kľúč.
Každý, kto by sa pokúsil preniknúť do siete a zachytiť kľúč, zlyhá, povedal Aoschalom, pretože zákony kvantovej mechaniky stanovujú, že akýkoľvek pokus o pozorovanie častíc v kvantovom stave automaticky zmení častice a zničí prenášané informácie. Upozorní odosielateľa a príjemcu na pokus o spoofing.
To je jeden z dôvodov, prečo vedci veria, že technológia má taký prísľub.
“Je potrebné prekonať obrovské technické ťažkosti, ale môžete namietať, že by sa to mohlo stať rovnako dôležité ako technologická revolúcia 20. storočia, ktorá nám dala lasery a tranzistory a atómové hodiny, a teda aj GPS a internet,” povedal Steven Girvin, profesor fyziky na Yale.Hovorí o nedávnych objavoch v kvantovej technológii.
V laboratóriu vedľa skrine sa Aushalom a jeho kolegovia snažia vyvinúť nové zariadenia, ktoré pomôžu fotónom prenášať informácie na väčšie vzdialenosti. Miestnosť je stiesnená spleť laboratórnych zariadení za milióny dolárov, laserov a fotografie motora tanku Thomas, pretože stroj vydáva neustále cvakanie. “Je to hádam pre komediálnu hodnotu,” hovorí postgraduálny študent Cyrus Geledon.
Jeden problém, ktorý sa snažia vyriešiť: Keď drobné čiastočky svetla prechádzajú sklenenými vláknami siete, svetlo po určitej vzdialenosti opadne kvôli nedokonalostiam skla. Výskumníci sa teda pokúšajú vytvoriť zariadenia, ktoré dokážu zachytiť a uložiť informácie zo svetelných častíc počas ich cestovania a potom tieto informácie poslať späť s novou časticou – ako napríklad fotonický pony express.
Geledon má na sebe fialové latexové rukavice, aby nepoškodil povrch, a drží malú obvodovú dosku obsahujúcu dva čipy karbidu kremíka, ktoré on a jeho kolegovia testujú ako zariadenie na ukladanie a ovládanie informácií z kvantových bitov. Neskôr v ten deň Zeledon plánoval ochladiť čipy na ultranízke teploty a preskúmať ich pod mikroskopom, pričom hľadal kvantové bity, ktoré do čipov implantoval a ktoré by si mohol vymieňať s mikrovlnnými fotónmi.
Na druhom konci siete sa nedávno ráno vedec z Argonne Joe Herremans, bývalý študent Aoshaloma, ospravedlnil za hlasné dunenie okolo jeho laboratória. Kde bol obrázok tankového motora Thomas? „Snažíme sa tu pôsobiť trochu profesionálnejšie,“ vtipkuje.
Herremans a jeho kolegovia sa snažia vyvinúť nové zariadenia a materiály, ktoré pomôžu fotónom prenášať kvantové informácie na väčšie vzdialenosti. Syntetické diamanty sú sľubným materiálom, povedal a kývol na reaktor, ktorý pestoval diamanty rýchlosťou ľadovca nanometrov za hodinu.
Federálne prostriedky z Zákon o národnej kvantovej iniciatíve, schválený Kongresom a podpísaný prezidentom Donaldom Trumpom v roku 2018, nedávno pomohol laboratóriu kúpiť druhý reaktor, ktorý bude rýchlejšie pestovať diamanty. The Čipy a zákon vedyPrezident Biden podpísal v auguste a poskytuje dodatočnú podporu pre výskum a vývoj, ktorý posilní kvantové úsilie.
V jednom rohu svojho laboratória Herremans ukázal na stroj Toshiba podobný tomu na Chicagskej univerzite. Odtiaľ spleť farebných drôtov prenáša signál do a zo siete, ktorá po opustení laboratória prechádza v krátkej slučke pod neďalekými krídlami IKEA a Buffalo Wild Wings, než vystrelí na univerzitu aj do Fermilabu.
Vedci experimentujú s podobnými testovacími zariadeniami v Bostone, New Yorku, Marylande a Arizone. Experimentálne siete existujú aj v Holandsku, Nemecku, Švajčiarsku a Číne.
Cieľom je jedného dňa pripojiť všetky tieto testovacie zariadenia prostredníctvom optických a satelitných prepojení k novému kvantovému internetu, ktorý pokrýva Spojené štáty a nakoniec celý svet. Ak sa sieť rozrastie, v ideálnom prípade by sa dala využiť nielen na odosielanie šifrovaných dát, ale aj na pripojenie kvantových počítačov, aby sa zvýšil ich výpočtový výkon, rovnako ako to robí cloud pre súčasné počítače.
„Myšlienka kvantového internetu je niečo, čo sa práve rodí,“ povedal Smith.
