Квантовое исследование в лаборатории Чикагского университета может помочь предотвратить взлом и соединить будущую сеть суперкомпьютеров
За скромными атрибутами Equipment Closet LL211A скрывается важность проекта, находящегося в авангарде одного из самых горячих технологических конкурсов в мире. Соединенные Штаты, Китай а другие соревнуются в том, чтобы использовать причудливые свойства квантовых частиц для обработки информации новыми мощными способами — технологиями, которые могут принести значительные экономические выгоды и преимущества в плане национальной безопасности странам, которые в ней доминируют.
Квантовые исследования настолько важны для будущего Интернета, что они получают новое федеральное финансирование, в том числе из недавно принятого Закон о чипах и науке. Это потому, что, если это сработает, квантовый интернет может защитить финансовые транзакции и медицинские данные, предотвратить кражу личных данных и остановить враждебных государственных хакеров на их пути.
Только на прошлой неделе три физика общий Нобелевская премия за квантовые исследования, которые помогли проложить путь к Интернету будущего.
Квантовым исследованиям еще предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем они получат широкое распространение. Но банки, медицинские компании и другие организации начинают проводить эксперименты с квантовым интернетом. Некоторые отрасли также мастерить с квантовыми компьютерами ранней стадии, чтобы увидеть, смогут ли они в конечном итоге решить проблемы, с которыми не могут справиться современные компьютеры, например, открытие новых фармацевтических препаратов для лечения трудноизлечимых болезней.
Грант Смит, аспирант группы квантовых исследований Чикагского университета, сказал, что еще слишком рано представлять себе все потенциальные приложения.
«Когда люди впервые создали рудиментарные интернеты, соединяющие исследовательские компьютеры, университеты и национальные лаборатории, они не могли предвидеть появление электронной коммерции», — сказал он во время недавней экскурсии по лабораториям университета.
Изучение квантовой физики началось в начале 20-го века, когда ученые обнаружили, что мельчайшие объекты во Вселенной — атомы и субатомные частицы — ведут себя не так, как материя в крупномасштабном мире, например, кажутся одновременно находящимися в нескольких местах. .
Эти открытия, названные первой квантовой революцией, привели к появлению новых технологий, таких как лазеры и атомные часы. Но сейчас исследования приближают ученых к использованию большего количества специфических способностей квантового мира. Дэвид Авшалом, профессор Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета и руководитель квантовой команды, называет это второй квантовой революцией.
Эта область «пытается спроектировать то, как природа ведет себя на самом фундаментальном уровне по отношению к нашему миру, и использовать это поведение для новых технологий и приложений», — сказал он.
Существующие компьютеры и коммуникационные сети хранят, обрабатывают и передают информацию, разбивая ее на длинные потоки битов, которые обычно представляют собой электрические или оптические импульсы, представляющие ноль или единицу.
Квантовые частицы, также известные как квантовые биты или кубиты, могут существовать как нули и единицы одновременно или в любом положении между ними, гибкость, известная как «суперпозиция», которая позволяет им обрабатывать информацию новыми способами. Некоторые физики сравнивают их с вращающейся монетой, которая одновременно находится в состоянии орла и решки.
Квантовые биты также могут проявлять «запутанность», где две или более частиц неразрывно связаны и точно отражают друг друга, даже если они разделены большим физическим расстоянием. Альберт Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии».
Аппаратное обеспечение шкафа подключается к оптоволоконной сети протяженностью 124 мили, идущей от университетского городка в южной части Чикаго к двум финансируемым из федерального бюджета лабораториям в западных пригородах, которые сотрудничают в исследованиях — Аргоннской национальной лаборатории и Национальной ускорительной лаборатории Ферми.
Команда использует фотоны — квантовые частицы света — для передачи ключей шифрования по сети, чтобы увидеть, насколько хорошо они проходят по волокнам, проходящим под автомагистралями, мостами и пунктами взимания платы. Квантовые частицы чрезвычайно деликатны и имеют склонность к сбоям при малейшем возмущении, таком как вибрация или изменение температуры, поэтому отправлять их на большие расстояния в реальном мире сложно.
В чулане подвала университета аппаратура, созданная японской компанией Toshiba, излучает пары запутанных фотонов и отправляет по одному из каждой пары по сети в Аргонн, который находится в 30 милях отсюда, в Лемонте, штат Иллинойс. Один ключ шифрования закодирован на цепочка пар фотонов.
Поскольку пары запутаны, они полностью синхронизированы друг с другом. «В некотором смысле вы можете рассматривать их как единое целое», — сказал Авшалом.
Когда путешествующие фотоны достигают Аргонны, ученые измеряют их и извлекают ключ.
Любой, кто попытается взломать сеть, чтобы перехватить ключ, потерпит неудачу, сказал Авшалом, потому что законы квантовой механики гласят, что любая попытка наблюдать частицы в квантовом состоянии автоматически изменяет частицы и уничтожает передаваемую информацию. Он также предупреждает отправителя и получателя о попытке прослушивания.
Это одна из причин, по которой ученые считают, что технология имеет такие перспективы.
«Существуют огромные технические трудности, которые необходимо преодолеть, но можно утверждать, что они могут стать такими же важными, как техническая революция 20-го века, которая дала нам лазер, транзистор, атомные часы и, следовательно, GPS и Интернет», — Стивен Гирвин, профессор физики Йельского университета, рассказал о недавних открытиях в области квантовых технологий.
В лаборатории рядом со шкафом Авшалом и его коллеги пытаются разработать новые устройства, которые помогут фотонам переносить информацию на большие расстояния. Комната представляет собой тесный клубок из лабораторного оборудования стоимостью в миллионы долларов, лазеров и фотографии Паровозика Томаса, потому что один из инструментов постоянно пыхтит. «Это, я думаю, для комедийной ценности», — сказал аспирант Сайрус Зеледон.
Одну проблему они пытаются решить: когда крошечные частицы света проходят через стеклянные волокна сети, дефекты в стекле заставляют свет затухать после определенного расстояния. Поэтому исследователи пытаются разработать устройства, которые могли бы улавливать и сохранять информацию от световых частиц по мере их перемещения, а затем снова отправлять информацию с новой частицей — как фотонный Пони-Экспресс.
Надев фиолетовые латексные перчатки, чтобы не повредить поверхность, Зеледон поднял крошечную печатную плату с двумя чипами из карбида кремния, которую он и его коллеги тестируют как устройство для хранения и управления информацией из квантовых битов. Позже в тот же день Зеледон планировал охладить чипы до сверхнизких температур и изучить их под микроскопом, чтобы найти квантовые биты, которые он имплантировал в чипы, которыми он мог бы затем управлять с помощью микроволн для обмена информацией с фотонами.
На другом конце сети недавним утром аргоннский ученый Джо Хереманс, который ранее был учеником Авшалома, извинился за громкое пыхтение, которое также отражалось в его лаборатории. Где была его фотография Паровозика Томаса? «Мы пытаемся быть немного более профессиональными здесь», — пошутил он.
Хереманс и его коллеги также пытаются разработать новые устройства и материалы, которые помогут фотонам переносить квантовую информацию на большие расстояния. Синтетические алмазы — это многообещающий материал, сказал он, кивнув в сторону реактора, в котором алмазы выращивались с ледяной скоростью — нанометры в час.
Федеральное финансирование из Закон о национальной квантовой инициативе, принятый Конгрессом и подписанный президентом Дональдом Трампом в 2018 году, недавно помог лаборатории купить второй реактор, который позволит выращивать алмазы быстрее. Закон о чипах и наукеподписанный президентом Байденом в августе, оказывает дополнительную поддержку исследованиям и разработкам, которые поддержат квантовые усилия.
В углу своей лаборатории Хереманс указал на машину Toshiba, идентичную той, что стоит в Чикагском университете. Оттуда куча разноцветных проводов передает сигналы в сеть и из нее, которая после выхода из лаборатории проходит по короткой петле под соседними Ikea и Buffalo Wild Wings, прежде чем выстрелить в любом направлении в университет и Фермилаб.
Ученые экспериментируют с аналогичными испытательными стендами в Бостоне, Нью-Йорке, Мэриленде и Аризоне. Экспериментальные сети также существуют в Нидерландах, Германии, Швейцарии и Китае.
Цель состоит в том, чтобы когда-нибудь соединить все эти испытательные стенды через оптоволоконные и спутниковые каналы связи в зарождающийся квантовый интернет, охватывающий Соединенные Штаты и, в конечном итоге, весь мир. По мере роста сети ее можно было бы в идеале использовать не только для отправки зашифрованной информации, но и для подключения квантовых компьютеров для повышения их вычислительной мощности, как это делает облако для современных компьютеров.
«Идея квантового интернета — это то, что находится в процессе рождения», — сказал Смит.
