Η δημιουργία ενός κβαντικού διαδικτύου, ικανού να μεταφέρει δεδομένα με απόλυτη ασφάλεια και ταχύτητες που ξεπερνούν κάθε σημερινό όριο, αποτελεί έναν από τους μεγάλους στόχους της επιστήμης. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το University of Pennsylvania φαίνεται πως έφερε αυτό το όραμα πιο κοντά, παρουσιάζοντας το Q-Chip, ένα νέο τσιπ που επιτρέπει τη μετάδοση κβαντικών σημάτων μέσω των ίδιων οπτικών ινών που χρησιμοποιεί το συμβατικό διαδίκτυο.
Το Q-Chip δείχνει για πρώτη φορά ότι τα κβαντικά δεδομένα μπορούν να ταξιδέψουν χρησιμοποιώντας το Internet Protocol (IP), το ίδιο πρότυπο που στηρίζει σήμερα τα δίκτυα παγκοσμίως. Αυτό σημαίνει ότι ένα μελλοντικό κβαντικό δίκτυο θα μπορούσε να βασιστεί στις ήδη υπάρχουσες υποδομές, χωρίς την ανάγκη εξειδικευμένων καλωδιώσεων ή ξεχωριστών δικτύων.
Γιατί είναι τόσο δύσκολη η μετάδοση κβαντικών δεδομένων
Η βασική μονάδα της κβαντικής πληροφορίας είναι το qubit. Σε αντίθεση με τα κλασικά bits, που μπορούν να πάρουν τιμή μόνο 0 ή 1, τα qubits μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα και στις δύο καταστάσεις, σε μια ιδιότητα που ονομάζεται «υπέρθεση». Επιπλέον, δύο qubits μπορούν να είναι «συνεμπλεγμένα», δηλαδή η κατάσταση του ενός να είναι άμεσα συνδεδεμένη με την κατάσταση του άλλου, ακόμα κι αν τα χωρίζουν τεράστιες αποστάσεις.
Αυτές οι ιδιότητες δίνουν στα κβαντικά συστήματα απίστευτη υπολογιστική ισχύ. Την ίδια στιγμή, όμως, κάνουν τα δεδομένα εξαιρετικά εύθραυστα. Το παραμικρό «κοίταγμα» ενός qubit καταστρέφει την υπέρθεση και μαζί την πληροφορία. Αυτό σημαίνει ότι τα routers που χρησιμοποιούνται στο κλασικό διαδίκτυο δεν μπορούν να διαβάσουν και να κατευθύνουν κβαντικά δεδομένα χωρίς να τα καταστρέψουν.
Η λύση του Q-Chip
Το Q-Chip —από τα αρχικά της φράσης “quantum-classical hybrid internet by photonics”— έρχεται να λύσει αυτό το θεμελιώδες πρόβλημα. Η καινοτομία του είναι ότι κάθε κβαντικό σήμα «συνοδεύεται» από ένα κλασικό πακέτο δεδομένων, ένα είδος «κεφαλίδας» που περιέχει πληροφορίες δρομολόγησης και συγχρονισμού.
Καθώς το ζευγάρι αυτών των σημάτων ταξιδεύει μέσω των οπτικών ινών, οι δρομολογητές μπορούν να διαβάσουν μόνο το κλασικό κομμάτι, το οποίο τους λέει πού πρέπει να κατευθυνθεί το πακέτο. Το κβαντικό σήμα, που παραμένει άθικτο, συνεχίζει την πορεία του προς τον προορισμό του. Έτσι, το δίκτυο λειτουργεί με τους ήδη υπάρχοντες κανόνες του IP, χωρίς να θίγει την ευαίσθητη φύση των qubits.
Ο επικεφαλής της μελέτης, Liang Feng, εξηγεί ότι η τεχνολογία αυτή «παντρεύει» για πρώτη φορά την κβαντική επικοινωνία με πραγματικές συνθήκες δικτύου.
Σε αντίθεση με προηγούμενα πειράματα που απαιτούσαν απομονωμένα εργαστηριακά περιβάλλοντα, το Q-Chip δείχνει ότι η κβαντική επικοινωνία μπορεί να ενσωματωθεί σε υπάρχουσες υποδομές.
Δοκιμές σε πραγματικό δίκτυο
Για να επιβεβαιώσουν τη λειτουργία της τεχνολογίας, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια απλή σύνδεση ανάμεσα σε έναν server και έναν κόμβο παραλήπτη, χρησιμοποιώντας ένα τμήμα 1 χιλιομέτρου εμπορικής οπτικής ίνας που ανήκει στη Verizon.
Καθώς το κλασικό και το κβαντικό σήμα επηρεάζονται με τον ίδιο τρόπο από τον «θόρυβο» του περιβάλλοντος, η ομάδα μπορούσε να χρησιμοποιήσει το πρώτο για να διορθώσει τις αλλοιώσεις του δεύτερου, χωρίς να διακινδυνεύσει την κατάρρευση της κβαντικής πληροφορίας. Το αποτέλεσμα ήταν τα δεδομένα να φτάσουν ακέραια στον προορισμό τους.
Ένα μικρό βήμα με μεγάλες προοπτικές
Αν και η δοκιμή περιορίστηκε σε μια μικρή απόσταση, η σημασία της είναι μεγάλη. Το γεγονός ότι το Q-Chip είναι κατασκευασμένο από πυρίτιο και μπορεί να παραχθεί με τις υπάρχουσες βιομηχανικές διαδικασίες σημαίνει ότι έχει τη δυνατότητα μαζικής παραγωγής και ευρείας διάδοσης.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι μέσα στην επόμενη πενταετία θα μπορούσαμε να δούμε τις πρώτες εφαρμογές ενός κβαντικού διαδικτύου σε τοπικά ή μητροπολιτικά δίκτυα. Οι εφαρμογές που αναμένονται είναι εντυπωσιακές: από απόλυτα ασφαλείς επικοινωνίες και διασύνδεση κβαντικών υπολογιστών, μέχρι εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις χρόνου και συστήματα πλοήγησης.
Το μέλλον του κβαντικού διαδικτύου
Το βήμα που έγινε με το Q-Chip δεν σημαίνει ότι το κβαντικό διαδίκτυο είναι έτοιμο να αντικαταστήσει το σημερινό. Ωστόσο, αποδεικνύει ότι δεν είναι απαραίτητο να ξεκινήσει από το μηδέν, καθώς μπορεί να βασιστεί στην τεράστια υποδομή που ήδη υπάρχει.
Όπως τονίζει ο Feng,
Το γεγονός ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα ίδια εργαλεία δρομολόγησης και διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιεί σήμερα το διαδίκτυο, μειώνει σημαντικά τα εμπόδια για την ανάπτυξη ενός κβαντικού δικτύου μεγάλης κλίμακας.
[via]
