Представьте, что вы отправляете сообщение, которое невозможно перехватить, или передаете данные на другой конец планеты без задержек. Это не сценарий фантастического фильма — так может работать квантовый интернет. Но пока это будущее не стало реальностью, ученым нужно решить одну большую проблему: квантовые сигналы нельзя просто усилить, как обычный интернет-трафик.

В традиционных сетях данные передаются по оптоволокну в виде света, и если сигнал слабеет, его усиливают повторители. Но в квантовом мире все сложнее. Информация там кодируется в хрупких состояниях частиц — например, в фотонах. Попробуйте «прочитать» такой фотон, и его квантовое состояние разрушится. А из-за потерь в оптоволокне уже через 100–200 км сигнал почти пропадает.

Вот тут и появляются квантовые повторители — устройства, которые могут «перезапускать» квантовую связь, не нарушая ее хрупких свойств. Без них создать глобальный квантовый интернет просто невозможно. Но как они работают? Какие технологии уже сегодня позволяют преодолевать квантовые ограничения? И когда мы увидим первые реальные применения? Давайте разбираться.

Что такое квантовый повторитель

Если объяснять просто, квантовый повторитель — это специальное устройство, которое помогает передавать квантовые сигналы на большие расстояния. В обычном интернете, если сигнал слабеет, его можно просто усилить — как подкрутить громкость в колонках. Но с квантовыми данными такой фокус не пройдет. Попробуйте скопировать или усилить кубит (квантовый бит), и его уникальное состояние разрушится. Это как пытаться размножить картину Ван Гога, просто сделав ксерокс — оригинал потеряет свою ценность.

Вот почему квантовые повторители работают иначе. Вместо того чтобы усиливать сигнал напрямую, они используют хитрые методы, чтобы сохранить и переслать квантовую информацию без ее повреждения. Главные задачи такого устройства:

• Восстанавливать связь — как ретранслятор, но для кубитов.
• Сохранять запутанность — чтобы частицы на разных концах линии оставались связаны.
• Исправлять ошибки — потому что квантовые данные легко искажаются.

Без таких повторителей квантовый интернет будет работать только на коротких дистанциях — примерно как Wi-Fi, но без роутеров. А значит, о глобальной сети можно забыть. Сейчас ученые ищут лучший способ создать надежные квантовые повторители, и некоторые технологии уже показывают многообещающие результаты. Но как именно они устроены? Давайте разбираться дальше.

Как устроены квантовые повторители

Сейчас существует несколько рабочих способов создать квантовый повторитель, и каждый из них по-своему решает главную проблему — как передать хрупкие квантовые состояния на большие расстояния. Самые перспективные подходы используют квантовую память — специальные системы, которые могут ненадолго сохранять кубиты, а потом передавать их дальше без потерь.

Один из популярных вариантов — повторители на основе алмазов с дефектами. Внутри алмаза создают специальные примеси (например, атом азота рядом с пустым местом в кристалле), которые могут удерживать квантовую информацию. Когда приходит фотон с данными, система запоминает его состояние, а потом выпускает новый фотон с теми же свойствами — как эстафетная палочка в беге.

Другой способ — использовать ионные ловушки. Здесь кубиты хранятся в отдельных атомах, подвешенных в вакууме с помощью электромагнитных полей. Это как поймать мяч (квантовый сигнал), а потом бросить его дальше с той же силой и в том же направлении. Пока что такие системы сложны и дороги, но они позволяют очень точно управлять кубитами.

Еще есть подход с запутанностью — когда два повторителя сначала создают пару связанных частиц, а потом используют их для передачи информации. Это похоже на то, как если бы у вас было два волшебных блокнота: что написано в одном, мгновенно появляется в другом, даже если они на разных концах Земли.

Пока ни одна технология не стала идеальной — одни работают только при сверхнизких температурах, другие пока не могут хранить кубиты достаточно долго. Но прогресс идет быстро: уже есть эксперименты, где квантовую связь удалось продлить до нескольких сотен километров. Главное — научиться масштабировать эти решения, чтобы они работали не только в лаборатории, но и в реальном мире.

Вызовы и насущные проблемы

Несмотря на прогресс, квантовые повторители пока далеки от массового внедрения. Ученым предстоит решить несколько серьезных проблем, без которых о глобальном квантовом интернете можно забыть.

Главные технические сложности:

• Долговечность квантовой памяти. Сейчас кубиты сохраняют информацию доли секунды — этого мало для практического использования.
• Точность передачи. Любая помеха — тепловые шумы, вибрации или электромагнитные поля — может разрушить хрупкие квантовые состояния.
• Масштабирование. Одно дело — создать повторитель в лаборатории, и совсем другое — развернуть тысячи таких устройств по всему миру.

Безопасность — еще один камень преткновения. Хотя квантовая связь считается неуязвимой для взлома, сами повторители могут стать слабым звеном. Если злоумышленник получит доступ к узлу, он сможет перехватывать или подменять данные.

Конкуренция технологий тоже вносит неразбериху. Например, спутниковая квантовая связь (как в китайском эксперименте Micius) уже позволяет передавать кубиты на тысячи километров — без повторителей. Но у этого подхода свои минусы: спутники дороги, зависят от погоды и не могут работать под землей.

Сравнение технологий

Пока непонятно, какая технология победит. Возможно, будущий квантовый интернет будет гибридным — сочетать и повторители, и спутники. Но ясно одно: без прорыва в стабильности и стоимости квантовых устройств все это останется лабораторными экспериментами.

Гонка за квантовым интернетом

Сейчас несколько стран активно работают над созданием квантовых сетей, и каждая выбирает свой путь. Лидером пока остается Китай — еще в 2016 году они запустили первый квантовый спутник Micius и провели сеанс связи между Пекином и Веной на расстоянии 7600 км. Их технология использует спутники для создания квантовой запутанности, минуя проблемы с оптоволокном.

США делают ставку на наземные системы. Лаборатории вроде Argonne National Lab уже построили экспериментальную квантовую сеть в Чикаго длиной 124 км. Американцы активно развивают квантовые повторители на основе сверхпроводников и ионных ловушек, хотя до практического применения еще далеко.

Европа выбрала путь объединения усилий. Проект Quantum Internet Alliance объединяет ученых из разных стран для создания единого стандарта квантовой связи. В Нидерландах уже тестируют небольшие квантовые сети между городами, а в Германии работают над гибридными системами — сочетанием повторителей и спутников.

Россия пока отстает, но тоже включается в гонку. Правда, подробностей пока мало — то ли в фокусе наземные повторители, то ли спутниковые технологии.

Пока сложно сказать, кто окажется первым. Китай уже показал рабочую технологию, но она дорогая и сложная. Америка и Европа делают ставку на более масштабируемые решения, но им не хватает скорости. Ясно одно: кто бы ни победил, это определит, как будет выглядеть интернет будущего.

Что изменит квантовый интернет

Когда квантовые технологии окончательно выйдут из лабораторий, наша жизнь может измениться до неузнаваемости. Причем речь не только о скорости передачи данных — главная революция произойдет в безопасности и возможностях вычислений. Вот лишь несколько реальных применений, которые уже тестируются:

• Абсолютно защищенная связь — банковские переводы, госсекреты и личные сообщения станут неуязвимыми для хакеров
• Облачные квантовые вычисления — любой smartphone сможет использовать мощность квантовых компьютеров через сеть
• Синхронизация научных приборов — телескопы в разных странах будут работать как единый прибор
• Новые виды шифрования — исчезнут понятия «взломанный пароль» или „утечка данных“
• Мгновенные финансовые операции — международные платежи без задержек и посредников

Но когда это все появится? Оптимисты говорят о 10-15 годах, реалисты — о 30-50. Главная загвоздка — квантовые технологии пока слишком дороги и сложны для массового использования. Первыми их получат военные, банки и научные центры. Обычным пользователям придется ждать, пока квантовые чипы не станут размером с ноготь и не будут стоить как обычный Wi-Fi роутер.

Пока же мы наблюдаем удивительную гонку — кто первым создаст работающую глобальную квантовую сеть. И когда это случится, интернет в его нынешнем виде уйдет в историю, как ушли телеграф и dial-up модемы.

Ранее эксперты представили новейшие разработки в области квантовых вычислений.