Физики предлагают стратегию «моста» для стабилизации квантовых сетей

Хотя запутанные фотоны и открывают невероятные перспективы для квантовых вычислений и коммуникаций, у них есть существенный недостаток. После одного использования они просто исчезают.

В новом исследовании физики Северо-Западного университета предлагают новую стратегию поддержания связи в постоянно меняющейся, непредсказуемой квантовой сети. Восстанавливая эти исчезающие связи, исследователи обнаружили, что сеть в конечном итоге приходит в стабильное, хотя и другое, состояние.

Исследователи обнаружили, что ключ заключается в добавлении достаточного количества соединений для обеспечения непрерывной работы сети. Добавление слишком большого количества соединений влечет за собой высокие затраты, перегружая ресурсы. Но добавление слишком малого количества соединений приводит к фрагментации сети, которая не может удовлетворить потребности пользователей.

Результаты исследования потенциально могут привести к созданию оптимально спроектированных квантовых сетей для молниеносных вычислений и сверхзащищенной связи.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

«Многие исследователи прилагают значительные усилия для создания более крупных и лучших сетей квантовой связи по всему миру», — сказал Иштван Ковач из Northwestern, старший автор исследования. «Но как только квантовая сеть открывается для пользователей, она сгорает. Это как перейти мост, а затем сжечь его за собой. Без вмешательства сеть быстро развалится.

«Чтобы решить эту проблему, мы разработали простую модель пользователей. После каждого события коммуникации мы добавляли фиксированное количество мостов или связей между отключенными узлами. Добавляя достаточно большое количество связей после каждого события коммуникации, мы поддерживали сетевое соединение».

Эксперт в области сложных систем , Ковач является доцентом кафедры физики и астрономии в Северо-Западном колледже искусств и наук Вайнберга.

Сеть исчезающих ссылок

Квантовые сети работают, используя квантовую запутанность , явление, при котором две частицы связаны, независимо от расстояния между ними. Сянги Мэн, эксперт в области квантовой коммуникации и один из первых авторов исследования, описывает запутанность как «жуткий», но эффективный ресурс. Во время исследования Мэн был научным сотрудником в группе Ковача, но сейчас является доцентом физики в Политехническом институте Ренсселера в Нью-Йорке.

«Квантовая запутанность — это жуткая, бросающая вызов пространству и времени корреляция между квантовыми частицами», — сказал Мэн. «Это ресурс, который позволяет квантовым частицам общаться друг с другом, чтобы они могли выполнять сложные задачи вместе, гарантируя, что ни один подслушивающий не сможет перехватить их сообщения».

Однако, когда два компьютера общаются, используя запутанные связи, связи, участвующие в этой связи, исчезают. Сам акт связи изменяет квантовое состояние связи, делая её непригодной для дальнейшей связи.

«В классических коммуникациях инфраструктура имеет достаточную емкость для обработки множества сообщений», — сказал Ковач. «В квантовой сети каждое звено может отправить только один фрагмент информации. Затем оно распадается».

Определение магического числа

Чтобы лучше понять, как сети ведут себя в условиях постоянных изменений, Ковач и его команда построили упрощенную модель пользователей в квантовой сети. Сначала исследователи позволили пользователям случайным образом выбирать других пользователей, с которыми они хотят общаться. Затем они нашли кратчайший и наиболее эффективный путь общения между этими пользователями и удалили все связи на этом пути. Это создало «просачивание пути», когда сеть постепенно разрушается с каждым событием общения.

Изучив эту проблему, Ковач и его команда попытались предложить решение. С помощью моделирования они нашли точное количество ссылок, которые нужно добавить после каждого события коммуникации. Это число находится на критической границе между поддержанием сети и её разрушением. Удивительно, но команда обнаружила, что критическое число — это всего лишь квадратный корень из количества пользователей. Например, если есть 1 миллион пользователей, то для каждого 1 кубита информации, отправленной по сети, необходимо повторно добавить 1000 ссылок.

«Было бы естественно ожидать, что это число увеличивается линейно с числом пользователей или, может быть, даже квадратично, как число пар пользователей, которые могут общаться», — сказал Ковач. «Мы обнаружили, что критическое число на самом деле составляет очень малую часть по сравнению с числом пользователей. Но если вы добавите меньше, сеть развалится, и люди не смогут общаться».

Ковач предполагает, что эта информация потенциально может помочь другим спроектировать оптимизированную, надёжную квантовую сеть, которая может выдерживать сбои. Новые связи могут автоматически добавляться, когда исчезают другие связи, создавая более устойчивую сеть.

«Классический интернет не был создан для полной надежности», — сказал Ковач. «Он естественным образом возник из-за технологических ограничений и поведения пользователей. Он не был спроектирован, он просто случился. Но теперь мы можем добиться большего с квантовым интернетом. Мы можем спроектировать его так, чтобы он полностью раскрыл свой потенциал».


Автор Владислав Кулач

Контакты, администрация и авторы

The Political Pulsem

The Political Pulse

Welcome to Political Pulse: Your Beacon for In-Depth Political Insights.