Nový integrovaný čip ukazuje, jak by kvantové sítě mohly komunikovat pomocí dnešních internetových protokolů nad stávajícími komerčními kabely optických vláken.
V průkopnickém experimentu inženýři na University of Pennsylvania Úspěšně rozšířené kvantové sítě mimo laboratoř přenosem signálů přes komerční optické kabely pomocí stejného internetového protokolu (IP), které řídí dnešní web. Publikováno v VědaStudie ukazuje, že jemné kvantové signály mohou cestovat na stejné infrastruktuře, která nese rutinní online provoz. Testy byly provedeny na Optické síti Verizon’s Campus Fiber-Optic.
Ve středu úsilí je kompaktní „Q-Chip“ týmu Penn, který je navržen tak, aby koordinoval kvantové a klasické informace při plné kompatibilitě s moderními internetovými protokoly. Tato inovace by mohla sloužit jako základ pro budoucí „kvantový internet“, síť, kterou vědci očekávají, může být stejně transformativní jako vznik samotného webu.
Kvantová komunikace závisí na zapletených částicích, které jsou tak silně spojeny, že změna jednoho okamžitě změní druhou. Využití tohoto jevu by mohlo umožnit kvantovým počítačům propojit a sdílet zdroje, což umožňuje průlom, jako je efektivnější Umělá inteligence a vývoj nových léků a materiálů nad rámec schopností současných superpočítačů.
Poprvé v aktivní komerční vláknové síti studie Penn ukázala, že čip může přenášet kvantové signály při automatickém opravě šumu, balení kvantových a klasických dat do standardních internetových balíčků a směrování prostřednictvím stejných systémů adresování a správy používaných každodenními online zařízeními.
„Zobrazením integrovaného čipu může spravovat kvantové signály na živé komerční síti, jako je Verizon’s, a to pomocí stejných protokolů, které provozují klasický internet, jsme učinili klíčový krok k experimentům ve větším měřítku a praktickém kvantovému internetu,“ říká Liang Feng, profesor v oboru materiálů a inženýrství) a v elektrickém a systémovém inženýrství (ESE) a a Věda Papírova starší autor.
Výzvy při škálování kvantového internetu
Erwin Schrödinger, který představil termín „kvantové zapletení“, ilustroval tento nápad svým známým myšlenkovým experimentem zahrnujícím kočku do zapečetěné krabice. Uvnitř, spolu s radioaktivním materiálem, je osud kočky nejistý – dokud není krabice otevřena, zvíře může být považováno za naživu a mrtvý. Samotný akt pozorování odhaluje výsledek.
Tento paradox nabízí paralelu s chováním kvantových částic. Při měření zbavily své zvláštní vlastnosti, což je výzva, díky níž bude budování rozsáhlých kvantových sítí obzvláště obtížné.
„Normální sítě měří data, aby je vedla k konečnému cíli,“ říká Robert Broberg, doktorský student v ESE a spoluautor příspěvku. „U čistě kvantových sítí to nemůžete udělat, protože měření částic ničí kvantový stav.“
Koordinace klasických a kvantových signálů
Aby se tento překážka obešla, tým vyvinul „Q-Chip“ (zkratku pro „kvantovou klasickou hybridní internet fotonikou“), aby koordinoval „klasické“ signály, vyrobené z pravidelných proudů světla a kvantových částic. „Klasický signál cestuje těsně před kvantovým signálem,“ říká Yichi Zhang, doktorský student v MSE a první autor papíru. „To nám umožňuje měřit klasický signál pro směrování, přičemž kvantový signál ponechává neporušený.“
Nový systém v podstatě funguje jako železnice a spáruje pravidelné lehké lokomotivy s kvantovým nákladem. „Klasická„ záhlaví “působí jako motor vlaku, zatímco kvantové informace jezdí v uzavřených kontejnerech,“ říká Zhang. „Nemůžete otevřít kontejnery, aniž byste zničili to, co je uvnitř, ale motor zajišťuje, že se celý vlak dostane tam, kam musí jít.“
Protože lze měřit klasickou záhlaví, může celý systém sledovat stejný „IP“ nebo „internetový protokol“, který řídí dnešní internetový provoz. „Vložením kvantových informací do známého rámce IP jsme ukázali, že kvantový internet dokáže doslova mluvit stejným jazykem jako klasický,“ říká Zhang. „Tato kompatibilita je klíčem k škálování pomocí stávající infrastruktury.“
Přizpůsobení kvantové technologie skutečnému světu
Jednou z největších výzev při přenosu kvantových částic na komerční infrastruktuře je variabilita přenosových vedení v reálném světě. Na rozdíl od laboratorních prostředí, které si mohou udržovat ideální podmínky, se komerční sítě často setkávají se změnami teploty díky počasí, jakož i vibracemi z lidských činností, jako je konstrukce a přeprava, nemluvě o seismické činnosti.
Abychom tomu zabránili, vyvinuli vědci metodu korekce chyb, která využívá skutečnost, že rušení k klasické záhlaví ovlivní kvantový signál podobným způsobem. „Protože můžeme měřit klasický signál, aniž bychom poškodili kvantový,“ říká Feng, „můžeme usoudit, jaké opravy je třeba provést v kvantovém signálu, aniž bychom jej měřili, a zachovali kvantový stav.“
Při testování si systém udržoval věrnost přenosu nad 97%, což ukazuje, že by mohl překonat hluk a nestabilitu, která obvykle ničí kvantové signály mimo laboratoř. A protože čip je vyroben z křemíku a vyroben pomocí zavedených technik, mohl by být vyráběn hromadně, takže nový přístup usnadňuje škálování.
„Naše síť má pouze jeden server a jeden uzel, který spojuje dvě budovy, s asi kilometr optických kabelů nainstalovaný společností Verizon mezi nimi,“ říká Feng. „Ale vše, co musíte udělat pro rozšíření sítě, je vyrobit více čipů a spojit je s stávajícími kabely Fiberphieovy optických optických vláken.“
Budoucnost kvantového internetu
Hlavní bariérou škálování kvantových sítí mimo oblast metra je to, že kvantové signály nelze ještě zesílit, aniž by zničily jejich zapletení.
Zatímco některé týmy ukázaly, že „kvantové klávesy“, speciální kódy pro ultraseruální komunikaci, mohou cestovat na dlouhé vzdálenosti nad běžným vláknem, tyto systémy používají slabé koherentní světlo ke generování náhodných čísel, která nelze zkopírovat, techniku, která je vysoce účinná pro bezpečnostní aplikace, ale nestačí pro propojení skutečných kvantových procesorů.
Překonání této výzvy bude vyžadovat nová zařízení, ale studie Penn poskytuje důležitý raný krok: ukazuje, jak může čip spustit kvantové signály nad stávajícím komerčním vláknem pomocí směrování paketů ve stylu internetu, dynamického přepínání a zmírnění chyb na čipu, které pracují se stejnými protokoly, které spravují dnešní sítě.
„Je to jako první dny klasického internetu v 90. letech, kdy univerzity poprvé spojily své sítě,“ říká Broberg. „To otevřelo dveře k transformacím, které nikdo nemohl předvídat. Kvantový internet má stejný potenciál.“
Reference: „Klasicko-decisivní kvantový internet integrovanou fotonikou“ od Yichi Zhang, Robert Broberg, Alan Zhu, Gushu Li, Li Ge, Jonathan M. Smith a Liang Feng, 28. srpna 2025, Věda.
Doi: 10.1126/science.adx6176
Tato studie byla provedena na Pennsylvania School of Engineering a Applied Science a byla podporována Nadací Gordon a Betty Moore (GBMF12960 a DOI 10.37807), Office of Naval Research (N00014-23-1-2882), National Science Foundation (DMR-2323468), OLGA a PSCA PROSSIONED a PSCONICE a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNY a PSC-CUNNO. Ocenění (EnHC-54-93).
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
