Koniec internetu, jaki znamy. Powstaje kwantowa autostrada
Kwantowy internet przestaje być teorią. Naukowcy chcą zbudować brakujący most, bez którego te potężne maszyny wciąż są odcięte od świata.
Nie chodzi oczywiście o to, że zwykły internet zaraz zniknie i jutro wszyscy przejdziemy na coś kwantowego. Chodzi o to, że obok znanej sieci może zacząć rosnąć zupełnie nowa warstwa łączności dla komputerów kwantowych. Właśnie nad jednym z kluczowych brakujących elementów takiej infrastruktury ma pracować Yanan Wang z Uniwersytetu Nebraski w Lincoln, która dostała na ten cel 5-letni grant Departamentu Energii USA o wartości ponad 870 tys. dol. Jej zadaniem jest zbudowanie mostu między komputerem kwantowym a kanałem komunikacyjnym, bez którego cała wizja kwantowej sieci wciąż się rozsypuje.
Problem nie leży w samych komputerach, tylko w tym, że te nie umieją ze sobą rozmawiać
Dzisiejsze komputery kwantowe robią wrażenie liczbą kubitów, architekturą i tempem rozwoju, ale nadal są w dużej mierze samotnymi wyspami. Systemy komercyjne skupiają się dziś na pojedynczym komputerze, a nie na łączeniu wielu jednostek w sieć. To właśnie dlatego porównuje się obecną sytuację do budowania potężnych elektrowni bez linii przesyłowych.
Wiele najważniejszych komputerów kwantowych, zwłaszcza tych opartych na nadprzewodzących kubitach, pracuje na sygnałach mikrofalowych. Takie układy kontroluje się i odczytuje za pomocą fotonów mikrofalowych, a same procesory muszą pracować w ekstremalnie niskich temperaturach. To świetne do obliczeń, ale fatalne do dalekiej komunikacji.
Z kolei komunikacja kwantowa na większe odległości najlepiej czuje się w świecie światła, czyli fotonów optycznych przesyłanych np. przez włókna światłowodowe. IBM w swoich materiałach o transdukcji kwantowej pisze, że do łączenia układów kwantowych na duże odległości potrzebne są latające kubity, a szczególnie atrakcyjną opcją są właśnie fotony optyczne przesyłane przez szklane włókna. Masz komputer mówiący mikrofalami i sieć mówiącą światłem. Bez tłumacza te dwa światy się po prostu nie dogadają.
Wang ma zbudować właśnie takiego tłumacza
Projekt Wang próbą zbudowania urządzenia pośredniczącego między obliczeniową częścią systemu kwantowego a częścią komunikacyjną. Sama badaczka mówi o moście, który ma przenosić informację między tymi domenami. Chodzi o rozwój zintegrowanych obwodów fotoniczno-fononicznych dla spójnego przetwarzania informacji i routingu sygnałów kwantowych.
Fotoniczne oznacza związane ze światłem, a fononiczne z drganiami mechanicznymi materii. Te drgania mogą działać jak pośrednik między mikrofalami a optyką. IBM opisuje podobny kierunek badań jako transdukcję przez pośredni tryb mechaniczny: najpierw informacja kwantowa trafia do rezonatora mechanicznego, a stamtąd może zostać przekazana dalej do świata optycznego. Wang chce rozwijać właśnie taką klasę elementów, ale opartą na bardzo cienkich kryształach warstwowych.
Z czego ma być zrobiony ten most?
Wang stawia głównie na rezonatory mechaniczne i falowody zdolne do oddziaływania zarówno z sygnałami mikrofalowymi, jak i optycznymi. Jej zespół chce budować je z kryształów warstwowych van der Waalsa, czyli z materiałów, które można rozdzielać aż do pojedynczych warstw atomowych. W materiałach uczelni pojawiają się tu grafen i inne ultracienkie półprzewodniki. Są ekstremalnie cienkie, a jednocześnie mechanicznie bardzo wytrzymałe. Wang porównuje nawet strukturę grafenu do tej samej podstawy chemicznej, która stoi za diamentem.
Urządzenia mechaniczne w technologiach kwantowych muszą być nie tylko precyzyjne, ale też bardzo stabilne i mało stratne. Zespół będzie badał fizykę takich urządzeń, ścieżki strat energii, inżynierię fononiczną i topologiczne wzory projektowania, aby dojść do układów odpornych na niedoskonałości produkcyjne. Chodzi więc nie o jedną efektowną sztuczkę laboratoryjną, ale o cały zestaw rozwiązań, które kiedyś dałoby się zintegrować w różnych systemach.
Niepozorny problem, który blokuje technologiczną rewolucję
Internet kwantowy nie jest tylko futurystycznym odpowiednikiem dzisiejszego Wi-Fi. DOE od lat opisuje go jako jedną z najważniejszych technologicznych granic XXI w. Amerykański Departament Energii pisał już wcześniej, że prototyp takiej sieci może być osiągalny w ciągu najbliższej dekady, a jej przyszłe zastosowania miałyby znaczenie dla nauki, przemysłu i bezpieczeństwa.
Różnica między zwykłą siecią a kwantową nie sprowadza się tylko do szybkości i przepustowości. W sieciach kwantowych chodzi o przesyłanie i dystrybucję stanów kwantowych, splątania i informacji, której nie da się po prostu skopiować jak zwykłego pliku. To właśnie dlatego w komunikacji kwantowej tak ważne są pojęcia takie jak superpozycja, splątanie czy zakaz klonowania stanów kwantowych. DOE tłumaczy, że właśnie te cechy odróżniają sieci kwantowe od klasycznych.
Przeczytaj także:
Jeśli więc uda się zbudować skuteczny most między komputerem mikrofalowym a optycznym łączem, otworzy się droga do bardziej modułowych systemów kwantowych. Zamiast jednego coraz większego i coraz trudniejszego w utrzymaniu procesora, można byłoby łączyć wiele jednostek w sieć.
To trochę taki sam przeskok, jaki kiedyś zrobiły komputery klasyczne, gdy przestały być samotnymi maszynami, a zaczęły działać jako część sieci. Wang sama odwołuje się właśnie do tej analogii i mówi o momencie podobnym do lat 90., gdy internet zaczął przechodzić z fazy specjalistycznej do powszechniejszej infrastruktury.
