Оптоволокно Манхэттена и Бруклина объединили в квантовую сеть

С момента появления интернета существовал и способ его взломать. Учёные десятилетиями мечтали о сети иного рода — такой, где законы физики сделают подслушивание физически невозможным, а не просто технически трудным. Эту мечту называют квантовым интернетом.

Команда исследователей из Нью-Йоркского университета, работающая совместно с бруклинским стартапом Qunnect и компанией Cisco, сделала шаг к этой цели. Впервые в истории им удалось соединить квантовые сигналы, запутанные между собой, через несколько точек, используя уже проложенное телекоммуникационное оптоволокно.

Как работает квантовая сеть

В основе квантовой сети лежит передача информации с помощью одиночных частиц света — фотонов. Любая попытка перехватить сигнал неизбежно нарушает состояние этих частиц и тем самым выдает присутствие взломщика. Это свойство делает квантовую связь не просто более защищённой, а защищённой в принципе — в отличие от всего, что построено на классической физике, включая современный интернет.

Ключевой процесс, необходимый для превращения квантовой сети в квантовый интернет, называется обменом запутыванием. Он позволяет связать между собой частицы, которые никогда не взаимодействовали напрямую, соединяя короткие отрезки в единую большую сеть. До сих пор этот шаг оставался узким местом.

Эксперимент в Нью-Йорке

Исследователи создали сеть из трёх узлов. Два узла располагались в помещении компании Qunnect на Бруклинской военно-морской верфи. Третий, центральный узел, находился в коммерческом дата-центре QTD на Хадсон-стрит, 60, в Манхэттене. Сеть была построена по схеме «звезда», где более простые периферийные узлы соединяются через центральный, оснащённый криогенными детекторами.

Нью-Йоркский университет предоставил один из узлов сети и помогал проверять качество запутанности, полученной на расстоянии через весь город. Компания Qunnect обеспечила квантовое оборудование, включая источники запутанных фотонов и систему стабилизации сигналов, которые обычно страдают от температурных колебаний и вибраций в оптоволокне. Cisco предоставила программное обеспечение, координирующее работу всех трёх узлов в единую сеть.

Результат

Эксперимент увенчался успехом. Учёным впервые удалось продемонстрировать обмен поляризационным запутыванием через уже проложенное городское оптоволокно. Система достигала скорости около полутора обменов в секунду, сохраняя при этом квантовые корреляции, необходимые для работы сети.

Это не означает, что квантовый интернет появился завтра. Но эксперимент решает одну из главных проблем в этой области: как надёжно соединять независимые квантовые устройства через реальную, а не лабораторную инфраструктуру. Фотоны легко теряются в волокне, а внешние шумы разрушают их хрупкие квантовые состояния. Команда показала, что эти эффекты можно контролировать достаточно хорошо, чтобы поддерживать запутывание на уровне городской сети.

Почему это важно

Система спроектирована так, чтобы её можно было масштабировать. Специализированное криогенное оборудование требуется только для центрального узла. Добавление новых периферийных узлов не требует воспроизведения этой сложности — важный шаг к созданию практических городских сетей.

Нью-Йоркский университет уже эксплуатирует локальную квантовую сеть в Манхэттене и расширяет её на другие кампусы, включая инженерную школу в Бруклине. В прошлом году университет запустил Квантовый институт — междисциплинарный центр, который должен превращать подобные лабораторные достижения в работающие технологии.

Ближайшее будущее

В ближайшей перспективе самое практическое применение — квантовое распределение ключей, способ обмена шифровальными ключами, который невозможно перехватить незаметно. В более отдалённом будущем подобные сети смогут связывать квантовые компьютеры друг с другом или создавать новые типы сенсоров.

Для руководителя проекта Джавада Шабани Нью-Йорк — идеальный испытательный полигон. Манхэттен очень компактен. Всё находится в радиусе восьми-десяти километров. В этом небольшом пространстве сосредоточены сотни финансовых институтов — потенциальных пользователей квантовой связи.

«Наличие такой сети прямо сейчас очень важно, — говорит Шабани. — Это огромные инвестиции, которые окупятся, вероятно, в ближайшее десятилетие».

Как быстро удастся перейти от трёх узлов к тысячам и от полутора обменов в секунду к скоростям, сопоставимым с обычным интернетом? Сможет ли квантовая сеть сосуществовать с классической на одном оптоволокне — или для неё потребуется прокладывать новые кабели? Пока Манхэттен становится первой в мире лабораторией под открытым небом, где физика встречается с реальной городской инфраструктурой. И первые результаты этого эксперимента уже получены.