Квантовият интернет на прага на реалността: Нова архитектура полага основите на автономни оптични мрежи

Развитието на квантовите технологии неизбежно води до създаването на квантов интернет – глобална мрежа, чиито принципи на работа ще бъдат напълно различни от тези на съвременните телекомуникации. Основата на такива системи е явлението квантово заплитане. През 2022 г. Нобеловата награда за физика окончателно затвърждава доказателството, че заплетените частици представляват единна система, независимо от разстоянието между тях. Измерването на състоянието на една частица мигновено определя състоянието на другата. Това явление се нарича от физиците квантова нелокалност.

Доскоро обаче всички фундаментални тестове на това явление, включително известните тестове на Бел, се свеждаха до най-простата комуникационна връзка: има един източник, който изпраща две заплетени частици до двама получатели. В действителност архитектурата на мрежите е много по-сложна. Тя се състои от много възли и маршрути. Научната общност се сблъска с проблем: ако комбинираме няколко независими източника на квантови частици в сложна топология, дали такава мрежа ще бъде просто сума от отделни двойки връзки, или ще има изцяло ново ниво на квантова координация на цялата верига?

Международен екип от изследователи от Китай, Швейцария, Австрия и Испания завърши експеримент, който дава еднозначен отговор. Физиците проектираха оптична мрежа във формата на триъгълник и за първи път регистрираха истинска мрежова нелокалност. Те доказаха, че квантовата мрежа има свои собствени, уникални физически характеристики, които не могат да бъдат сведени до класическите модели или до набор от прости взаимодействия по двойки.

Проблемът с независимите източници

За да се разбере естеството на експеримента, е необходимо да се разгледа предложената структура. Изследователите са конструирали мрежа под формата на равностранен триъгълник. На трите му върха са разположени приемните измервателни възли. В средните точки на трите страни на триъгълника са разположени фотонни източници.

Всеки източник генерира двойка заплетени частици и ги изпраща в двете противоположни посоки – към най-близките върхове. В резултат на това всеки от трите приемащи възела получава точно два фотона. Това, което е фундаментално важно, е, че тези фотони идват от два напълно различни, физически несвързани източника.

Според законите на класическата физика и теорията на скритите параметри обекти, които не са имали взаимодействие в миналото, не могат да демонстрират строга синхронизация в настоящето. Ако трите източника работят автономно, то резултатите от измерванията във върховете на триъгълника би трябвало да останат независими един от друг.

Предишни опити за изследване на подобни структури не дадоха ясен отговор. Учените се опитаха да вградят класическия тест на Бел в един от върховете на триъгълната мрежа, докато останалите компоненти предаваха обикновен, класически сигнал. Това не им даде възможност да проверят свойствата на самата топология на графа. Новата цел бе да накарат цялата триъгълна мрежа да работи единствено според квантовите закони и да докажат, че класическата физика не е в състояние да опише получения резултат.

Архитектурата на експеримента

Създаването на подобна инсталация изисква най-висока прецизност. Експериментът се базира на лазер, генериращ ултракъси светлинни импулси с продължителност 140 фемтосекунди при дължина на вълната 780 нанометра. Излъчването преминава през система за удвояване на честотата, преобразува се в ултравиолетово, след което лъчът се разделя на три равни части.

Тези три лъча са насочени към независими източници – сандвич-структури, изработени от нелинейни бариеви бета-боратни кристали. Когато ултравиолетовото лъчение попадне върху кристала, настъпва процес на спонтанно параметрично разсейване: фотонът на напомпването се разпада на двойка фотони с противоположни поляризации, които се намират в строго заплетено състояние. След това тези частици се изпращат чрез оптични влакна до измервателните възли.

Най-трудният етап от подготовката е бил да се осигури строга изолация на източниците. За чистотата на експеримента физиците е трябвало да елиминират и най-малката възможност източниците да си предават скрити сигнали един на друг чрез общата лазерна система. За тази цел изследователите са инсталирали моторизирани стъклени плочи на пътя на всеки помпен лъч. Квантови генератори на случайни числа променяли ъгъла на тези плочи на всеки 20 милисекунди. Това внася хаотични промени във фазата на лъчението и напълно заличава всякаква потенциална синхронизация между трите генератора на фотони.

Схемата на експерименталната инсталация Елегантните съвместни измервания

След като получат по два независими фотона, измервателните възли трябва да извършат така нареченото елегантно съвместно измерване. Това е ключовият процес, който отличава тази работа от всички предишни изследвания.

Ако просто се измери поляризацията на всеки фотон поотделно, изследователят ще получи набор от класически случайни данни. Вместо това физиците насочиха входящите фотони през система от четвъртвълнови и полувълнови пластини към поляризационен разделител на лъча. В това устройство частиците се припокриват и интерферират една с друга.

Процесът на интерференция физически изтрива информацията за това от кой източник е дошъл даден фотон. След като загубят тази информация, частиците се проектират в ново, общо квантово състояние. Две независими частици се заплитат точно в момента на измерването.

Устройството работи без прекъсване в продължение на 288 часа. Поради изключителната сложност на процеса на едновременното генериране и успешното регистриране на шест частици едновременно, полезен сигнал се получаваше изключително рядко. По време на цялата работа изследователите регистрираха 3343 идеални събития, при които оптичната схема работеше правилно едновременно и в трите възела. Събраните данни формират окончателното вероятностно разпределение на резултатите от измерванията.

Доказателство чрез машинно обучение

Последният и най-труден етап от изследването е интерпретацията на получените данни. При класически експеримент с две частици физиците използват аналитични неравенства: достатъчно е да се заместят резултатите от измерванията във формулата и ако крайната стойност надхвърля определена граница, квантовата природа на процеса се счита за доказана.

За многовъзловите мрежи обаче математическият апарат става многократно по-сложен. Изчисляването на всички възможни класически състояния за една триъгълна структура е неконвексна оптимизационна задача. Броят на вариантите е толкова голям, че точното аналитично изчисление става невъзможно.

За да решат този проблем, физиците се обръщат към технологиите на изкуствения интелект. Те прилагат алгоритъма LHV-Net – специализирана невронна мрежа, чиято архитектура е строго ограничена от законите на класическата физика и теорията на локалните скрити параметри. Задачата на алгоритъма е била да намери класически модел за генериране на данни, който да възпроизведе вероятностното разпределение, получено при оптичния експеримент.

Изследователите извършили 60 независими цикъла на обучение на невронната мрежа. Във всички случаи алгоритъмът не успял да се доближи до резултатите от оптичния тест. Минималното отклонение между най-добрия модел на невронната мрежа и действителните резултати от експеримента е 0,0230. В рамките на строгата статистика това отклонение надвишава грешката с повече от осем стандартни отклонения, което е недвусмислено доказателство. Експерименталните данни нарушиха неравенството, изведено специално за мрежите, които са с 42% по-силни, отколкото теоретично допуска всяка класическа физическа система.

Устройство за проектиране на състояния в базиса EJM Основата на безопасното бъдеще

Доказано е, че топологията на квантовата мрежа формира уникални нелокални връзки, които осигуряват целостта на системата на фундаментално физическо ниво.

Това откритие е от решаващо значение за развитието на концепцията за самопроверяващи се мрежи. В класическата информационна сигурност защитата на данните разчита на криптографски алгоритми и доверие в хардуера. В квантовия интернет доверието в хардуера вече не е необходимо.

Ако мрежата е в състояние да прояви истинска нелокалност, самото вероятностно разпределение на измерванията служи като гаранция за сигурност. Всеки опит за външна намеса, проследяване на канали или дефекти в самите оптични компоненти неизбежно ще промени статистиката на съвпаденията и ще предотврати нарушаването на квантовите неравенства. Защитата на информацията в такава архитектура е гарантирана от основните закони на физическата структура на света.

Авторите на изследването подчертават, че създаването на устойчива и мащабируема мрежова архитектура е най-важната стъпка към превръщането на квантовия интернет от лабораторен концепт в масова технология. Представеният модел за автономна работа значително намалява оперативната сложност и открива пътя към комерсиална експлоатация на квантовите мрежи от ново поколение.