Цивилизация
Квантовые компьютеры — это не только вычислительные устройства, использующие такие квантово-механические эффекты, как суперпозиция состояний и спутанность для реализации квантовых алгоритмов и получения колоссального прироста вычислительной производительности, но и устройства квантовой коммуникации: понятно, что квантовую информацию требуется не только изменять, но и передавать.
Представить и реализовать канал передачи данных, использующий, например, эффект поляризации фотонов, совсем несложно, если на другом конце канала находится всего один адресат.
Но что если таких адресатов много, а информацию, которую несет в себе поляризация, нужно выборочно передать одному из них?
Тянуть к каждому свой канал было бы неразумно (тем более что мы не знаем, кем окажется наш следующий адресат), легче построить сеть, в узлах которой будут расположены переключатели, переадресующие конкретные фотоны конкретным адресатам.
Но как добиться того, чтобы такой переключатель не просто дублировал поступивший на вход фотон, измеряя его поляризацию, продуцируя точно такой же и направляя дубль в нужные ворота (так работают «классические» маршрутизаторы в оптических сетях, копирующие, конечно, не поляризацию, но последовательность электромагнитных импульсов), а перенаправлял фотоны, не измеряя их, то есть не разрушая информацию?
Последнее условие самое важное, поскольку
поляризация может нести в себе секретную информацию и любое измерение означает ее потерю и компрометацию канала.
Заметим, что в копирующих импульсы «классических» маршрутизаторах так оно и происходит, что и заставляет ваш компьютер шифровать сообщения на уровне математического кода, а не физического носителя данных, обладающего особыми уникальными параметрами, как в квантовых каналах.
Первый кандидат на роль такого «нежного» квантового переключателя, который приходит на ум, — это зеркало.
Если адресатов мало и скорость маршрутизации не важна, можно использовать обычное зеркало и вертеть им, отдавая команды по техническому каналу перед каждым сеансом связи. Но когда адресатов миллионы, а скорость переключения измеряется в наносекундах, обычное зеркало, конечно, не годится.
Похоже, что рецепт волшебного зеркальца, перенаправляющего одиночные фотоны «входа» в нужный «выход», не нарушая их квантового состояния, нашла международная группа физиков из Чальмерского университета технологий, расположенного в Гетеборге (Швеция), и Испанского национального совета по научным исследованиям, расположенного в Мадриде. О результатах экспериментов с построенным на его основе первым функцинирующим квантовым роутером физики отчитались в статье, опубликованной в авторитетном журнале Physical Review Letters.
Роль квантового зеркальца в таком роутере сыграл так называемый «искусственный атом» — ансамбль из нескольких атомов, находящийся в суперпозиции трех энергосостояний.
Работать чудо-зеркалом «искусственный атом» заставляет эффект электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП, впервые теоретически предсказанный советскими учеными Яковом Ханиным и Ольгой Кочаровской из Горьковского университета). Он не так известен, как спутанность или суперпозиция, но последние несколько лет его популярность в СМИ резко выросла в связи с нашумевшими экспериментами по «замедлению света».
Суть эффекта в том, что, если воздействовать на искусственный атом двумя резонансными полями с близкими частотами (получившими названия «зондирующего» и «поля накачки»), при определенной комбинации частот атомная среда становится прозрачной для «зондирующих» фотонов.
Собственно, ЭИП и сыграла роль логического переключателя фотонов:
приняв прозрачную фазу за порт № 1, а отражающую за порт № 2, авторам статьи удалось направлять «зондирующие» фотоны в нужные ворота с высокой точностью (99,6%) и скоростью: переключение между режимами происходило за несколько наносекунд.
Авторы не экспериментировали с поляризацией «зондирующих» фотонов, изменяя лишь частоту полей для управления атомным зеркалом, но ничто не мешает нам поляризовать зондирующий импульс и передать нужную информацию в нужные ворота, регулируя лишь его частоту и частоту поля накачки. При этом сами ворота (или те, кто за ними скрывается, например ваш провайдер или спецслужбы) остаются «слепыми» к «истинному» сообщению, то есть значению поляризации, которое на переключение не влияет.
Изящество предложенного решения еще и в том, что в качестве переключателя используется ансамбль квантово связанных атомов, то есть любые хакерские попытки измерить поведение переключателя извне (как и поляризацию фотонов) могут быть легко обнаружены, поскольку автоматически разрушают квантовую связность всей системы и ведут к потере информации.
Другими словами, используя ЭИП, можно абсолютно засекретить не только само сообщение, но и его маршрут — задача, с которой «классические» маршрутизаторы, копирующие электромагнитные импульсы, полностью никогда не справятся.
Следующим этапом, резюмируют авторы, будет создание многопортового квантового переключателя, использующего эффект ЭИП. Для этого потребуется разместить в одном фотонном волноводе несколько «искусственных атомов», настроенных на разные резонирующие частоты. Десять таких переключателей дадут в сумме уже 20 портов.