Секрет более безопасного и мощного Интернета, который невозможно взломать, может быть спрятан в подвальном шкафу

ЧИКАГО - Секрет более безопасного и мощного Интернета, который невозможно взломать, может быть спрятан в подвальном шкафу, казалось бы, подходящем для веников и швабр.

В помещении шириной три фута в подвале лаборатории Чикагского университета на тонкой стойке размещено оборудование, используемое для подачи квантовых частиц в оптоволоконную сеть. Цель состоит в том, чтобы использовать самые маленькие объекты в природе для обмена нерушимой зашифрованной информацией и в конечном итоге подключить их к сети квантовых компьютеров, способных к сверхбыстрым вычислениям.

Несмотря на свой скромный вид, LL211A демонстрирует важность проекта, который находится на переднем крае самого горячего технологического соревнования в мире. США, Китай и другие страны соревнуются в использовании странных свойств квантовых частиц для обработки информации новыми мощными способами. Эта технология может принести значительные выгоды для экономики и национальной безопасности тех стран, которые ее контролируют.

Исследования в области квантовой механики настолько важны для будущего интернета, что привлекают новое федеральное финансирование, в том числе в рамках недавно принятого закона "О чипах и науке". Это связано с тем, что квантовый интернет, если он будет реализован, сможет защитить финансовые транзакции и медицинские данные, предотвратить кражу личных данных и остановить хакеров враждебных государств.

Только на прошлой неделе три физика были удостоены Нобелевской премии за их квантовые исследования, которые проложили путь к этому будущему интернету.

Существует еще много препятствий для широкого распространения квантовых исследований. Однако банки и медицинские компании уже начали экспериментировать с квантовым интернетом. А некоторые отрасли промышленности работают с квантовыми компьютерами на ранних стадиях в надежде, что в конечном итоге они смогут решить проблемы, которые не под силу нынешним компьютерам, например, найти новые лекарства для лечения неизлечимых болезней.

Грант Смит, аспирант группы квантовых исследований в Чикагском университете, говорит, что пока рано представлять себе все возможные варианты применения.

Когда мы впервые создали элементарный Интернет, связывающий компьютеры исследовательского уровня с университетами и национальными лабораториями, мы не могли предсказать электронную коммерцию", - сказал он во время недавней поездки по университетским лабораториям.

Изучение квантовой физики началось в начале 20-го века, когда ученые обнаружили, что атомы и субатомные частицы, самые маленькие объекты во Вселенной, ведут себя иначе, чем материя в большом мире, например, могут находиться в нескольких местах одновременно.

Это открытие было названо первой квантовой революцией и привело к появлению новых технологий, таких как лазеры и атомные часы. Однако сейчас ведутся исследования, направленные на дальнейшее использование уникальных сил квантового мира. Дэвид Аушалом, профессор молекулярной инженерии в Притцкеровской школе инженерии Чикагского университета и руководитель "Квантовой команды", называет это "второй квантовой революцией".

Эта область "стремится изучить поведение природы на самом фундаментальном уровне по отношению к нашему миру и использовать это поведение в новых технологиях и приложениях".

Существующие компьютеры и коммуникационные сети хранят, обрабатывают и передают информацию, разбивая ее на длинные потоки битов. Биты обычно представляют собой электрические или оптические импульсы, обозначающие 0 или 1.

Квантовые частицы, также называемые кубитами, могут одновременно иметь значения 0 и 1 или находиться в любом промежуточном состоянии. Эта гибкость, известная как "суперпозиция", позволяет обрабатывать информацию новыми способами. Некоторые физики сравнивают кубиты с "вращающейся монетой, у которой одновременно две стороны".

Квантовые биты также могут проявлять "запутанность": две или более частицы настолько тесно связаны друг с другом, что могут точно отражать друг друга, даже если они физически находятся на большом расстоянии друг от друга. Эйнштейн назвал это "жутким действием на расстоянии".

Оборудование шкафа подключено к 124-мильной волоконно-оптической сети, которая проходит от кампуса университета в Саут-Сайде Чикаго до Аргоннской национальной лаборатории и Национальной ускорительной лаборатории Ферми в западном пригороде - двух лабораторий, финансируемых федеральным правительством и сотрудничающих в исследовании.

Исследовательская группа находится в процессе использования фотонов, квантовых частиц света, для отправки криптографических ключей в сеть, чтобы посмотреть, насколько хорошо они могут пройти через волокна, проходящие под автомагистралями, мостами и платными кабинками. Квантовые частицы чрезвычайно хрупки, и их склонность к сбоям при малейших нарушениях, таких как вибрации или изменения температуры, затрудняет их пересылку на действительно большие расстояния.

В шкафу в подвале университета аппаратура, созданная японской компанией Toshiba, испускает пары запутанных фотонов, по одному из каждой пары, и отправляет их по сети в Аргонн в Лемонте, штат Иллинойс, в 30 милях от университета В строке пар фотонов зашифрован один криптографический ключ.

Пары запутаны, поэтому они идеально синхронизированы друг с другом. В некотором смысле, вы можете смотреть на это как на единый кусок информации, - говорит Аушалом.

Как только фотоны попадают в Аргонн, они измеряются учеными Аргонна, и ключ извлекается.

Это происходит потому, что, согласно законам квантовой механики, любая попытка наблюдения за частицей в квантовом состоянии автоматически изменяет частицу и уничтожает передаваемую информацию. Он также может предупредить отправителя и получателя о попытке подслушивания.

Это одна из причин, по которой ученые считают технологию перспективной.

Стивен Гарвин, профессор физики Йельского университета, говорит о недавнем открытии квантовой технологии: "Предстоит преодолеть большие технические трудности, но это будет так же важно, как технологические революции 20-го века, которые принесли нам лазеры, транзисторы и атомные часы, а значит GPS и интернет". Можно даже сказать, что так и будет".

В лаборатории, расположенной рядом со шкафом, Аушалом и его команда пытаются разработать новое устройство, которое позволит фотонам переносить информацию на большие расстояния. Комната представляет собой тесный клубок многомиллионного лабораторного оборудования, лазеров и фотографий Томаса. Аспирант Сайрус Зеледон сказал: "Я думаю, что это комедийная ценность.

Одна из проблем, которую они пытаются решить. Когда частицы света проходят через сеть стеклянных волокон, несовершенства в стекле приводят к ослаблению света после определенного расстояния. Поэтому исследователи пытаются разработать устройство - своего рода фотонный пони-экспресс, - которое сможет улавливать и хранить информацию, пока частицы света путешествуют, и снова отправлять ее с новыми частицами.

Надев фиолетовые латексные перчатки, чтобы не поцарапать поверхность, Зеледон взял в руки небольшую печатную плату, содержащую два чипа из карбида кремния. Именно это устройство он и его коллеги испытывают в качестве способа хранения и управления квантовыми битами информации. Позже в тот же день они планировали охладить чипы до сверхнизких температур и исследовать их под микроскопом, чтобы узнать, можно ли манипулировать встроенными в чипы кубитами с помощью микроволн для обмена информацией с фотонами.

Ученый из Аргонна Джо Хеллеманс, бывший студент Аушалома, однажды утром извинился по сети за громкий шум в своей лаборатории. 'Где рисунок Томаса Танкиста? ' - сказал Херреманс в шутку.

Профессор Херреманс и его коллеги также работают над новыми устройствами и материалами, которые позволят фотонам переносить квантовую информацию на большие расстояния. Синтетический алмаз - один из перспективных материалов", - кивнул Херреманс, глядя на реактор, который выращивает алмазы с поразительной скоростью нанометров в час.

Благодаря федеральному финансированию из средств Закона о Национальной квантовой инициативе, принятого Конгрессом в 2018 году и подписанного президентом Дональдом Трампом, институт недавно приобрел второй реактор для более быстрого выращивания алмазов. Дополнительная поддержка исследований и разработок, которые усилят квантовые усилия.

В одной из лабораторий Хереманс указал на машину Toshiba, аналогичную той, что стоит в Чикагском университете. Оттуда путаница разноцветных проводов перемещалась взад и вперед по сети, оставляя лабораторию в короткой петле под близлежащими IKEA и Buffalo Wild Wings, а затем выскакивая в направлении либо университета, либо Института Ферми.

Ученые экспериментируют с подобными испытательными стендами в Бостоне, Нью-Йорке, Мэриленде и Аризоне. Экспериментальные сети также существуют в Нидерландах, Германии, Швейцарии и Китае.

Цель состоит в том, чтобы однажды соединить все эти испытательные стенды через оптоволоконные или спутниковые линии, создав квантовый интернет, охватывающий США и, в конечном итоге, весь мир. В идеале, по мере роста сети, она сможет не только передавать зашифрованную информацию, но и подключать квантовые компьютеры для увеличения их вычислительной мощности, подобно облаку компьютеров сегодня.

Идея квантового интернета только зарождается, - говорит Смит.

/по материалам The Washington Post