7 Minute
Semnale cuantice transită pe fibră comercială activă
O echipă de inginerie de la University of Pennsylvania a demonstrat că informația cuantică poate circula împreună cu traficul internet convențional pe infrastructura existentă de fibră optică comercială. Un dispozitiv integrat compact, numit Q-chip, a coordonat semnalele cuantice și cele clasice și le-a transmis prin rețeaua campusului Verizon utilizând metode standard Internet Protocol (IP).
O echipă de la Penn a arătat că semnalele cuantice pot circula alături de traficul cotidian de internet pe fibră comercială. Experimentul lor „Q-chip” marchează un pas către un internet cuantic scalabil cu potențial transformator la scară globală. Credit: Shutterstock
Acest experiment, publicat în revista Science, reprezintă un reper în mutarea rețelelor cuantice din mediile de laborator controlate către sistemele de telecomunicații din lumea reală. Testele dovedesc că stări cuantice fragile pot fi ambalate, rutate și corectate de erori în timp ce împart fibra cu traficul de date obișnuit, o capacitate esențială pentru comunicațiile cuantice pe arii largi și calculul cuantic distribuit.
Cum coordonează Q-chip datele clasice și cele cuantice
Q-chip (Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics) asociază un semnal clasic „header” măsurabil cu o sarcină utilă cuantică protejată. Header-ul clasic călătorește imediat înaintea particulelor cuantice și poate fi citit cu echipamente de rețea obișnuite. Pachetul lizibil oferă informații de rutare și stare fără a interacționa vreodată cu starea cuantică în sine.
„Permițând unui header clasic să conducă traficul, putem determina rutarea și corecta distorsiunile canalului în timp real, păstrând informația cuantică nemăsurată”, a explicat Liang Feng, profesor de Materials Science and Engineering și Electrical and Systems Engineering, care a condus studiul. Această arhitectură permite sistemului să folosească adresare în stil IP, comutare dinamică și cadre familiare de administrare a rețelei pentru a transporta date cuantice prin rețelele de fibră existente.
Yichi Zhang, un doctorand în Materials Science and Engineering, inspectează sursa semnalului cuantic. Credit: Sylvia Zhang
Analogie: locomotivă și marfă sigilată
Gândiți-vă la semnalul clasic ca la o locomotivă și la informația cuantică ca la marfă în containere sigilate. Locomotiva poate fi inspectată, redirecționată și corectată fără a deschide containerele — un model util pentru păstrarea întreținerii între particule (entanglement) și a altor proprietăți cuantice care sunt distruse prin măsurare.
Adaptarea transmisiunii cuantice la rețele din lumea reală
Fibra din mediul real este supusă fluctuațiilor de temperatură, vibrațiilor și altor variații de mediu care lipsesc în condițiile de laborator. Măsurarea header-ului clasic permite inferența în timp real a modului în care aceste perturbații influențează sarcina utilă cuantică; operațiuni corective pot fi aplicate apoi pe cip fără a măsura direct particulele cuantice.
O parte din echipamentul folosit pentru a crea un nod al rețelei cuantice, aflat la aproximativ un kilometru de cablul comercial de fibră optică Verizon care provine de la sursă. Credit: Sylvia Zhang
În testele de teren desfășurate pe aproximativ un kilometru de fibră din campusul Verizon, sistemul a obținut fidelități de transmisie peste 97%, ceea ce indică o conservare robustă a stărilor cuantice în ciuda mediului zgomotos. Q-chip-ul este fabricat în siliciu folosind procese consacrate, ceea ce înseamnă că poate fi produs în serie și integrat cu hardware-ul telecom existent pentru a scala rețelele cuantice la nivel metropolitan.
Yichi Zhang, doctorand în Materials Science and Engineering, cu echipamentul folosit pentru a genera și transmite semnalul cuantic prin cablurile de fibră optică Verizon. Credit: Sylvia Zhang
Context științific și provocări tehnice
Comunicările cuantice se bazează pe întrețineri (entanglement), o corelație nonclasică în care măsurarea unei particule afectează instantaneu partenerul său. Deși întreținerea permite comunicații securizate și calcul cuantic distribuit, ea este fragilă: măsurarea directă prăbușește starea cuantică, astfel încât inspectarea tradițională a semnalului nu poate fi folosită pentru a rula sau amplifica informația cuantică.
Robert Broberg, doctorand în Electrical and Systems Engineering și coautor, a subliniat că această constrângere de măsurare este problema centrală pentru scalarea rețelelor cuantice: "Rețelele convenționale folosesc măsurarea pentru a ghida datele; rețelele cuantice trebuie să evite măsurarea sarcinii utile cuantice în timp ce susțin rutarea și atenuarea erorilor." Q-chip rezolvă această problemă prin separarea header-ului clasic lizibil de sarcina utilă cuantică nelizibilă.
Un nod al rețelei cuantice, la aproximativ un kilometru de cablul de fibră optică Verizon față de sursa semnalului cuantic. Credit: Sylvia Zhang
Limitări și direcția de urmat
Un obstacol major rămas este amplificarea pe distanțe lungi. Spre deosebire de semnalele clasice, stările cuantice, în general, nu pot fi amplificate fără a distruge întreținerea. Vor fi necesari repetitori cuantici și amplificatori inovatori pentru a extinde rețelele dincolo de scara metropolitană. Abordările existente pentru distribuirea cheilor cuantice (QKD) pot acoperi distanțe mari pentru chei securizate, dar încă nu permit conectarea procesoarelor cuantice pentru calcul distribuit.
De la stânga: Liang Feng, profesor în Materials Science and Engineering, și Robert Broberg, doctorand în Electrical and Systems Engineering. Firele din spatele lor includ un cablu de fibră optică Verizon care a transportat semnalul cuantic. Credit: Sylvia Zhang
În ciuda acestor provocări tehnice, demonstrația de la Penn arată că traficul cuantic poate folosi protocoale internet familiare și infrastructura fizică existentă, permițând implementări incrementale și teste în cadrul ecosistemelor telecom curente.
Perspectiva unui expert
Dr. Maria Alvarez, cercetătoare principală în comunicații cuantice (ficțională, dar reprezentativă), comentează: "Integrarea semnalelor cuantice în cadrul IP existent este un pas critic. Capacitatea de a deduce perturbațiile canalului din header-ele clasice și de a aplica corecții fără a prăbuși stările cuantice este elegantă și practică. Această abordare accelerează testele pe rețele urbane pe termen scurt și ajută la concentrarea cercetării pe repetitori cuantici scalabili pentru legături pe distanțe mari."
Concluzie
Experimentul Q-chip arată că informația cuantică poate fi rutată și protejată pe fibră comercială alături de traficul obișnuit de internet folosind protocoale standard. Obținerea unei fidelități >97% pe linii telecom active demonstrează compatibilitatea practică cu infrastructura existentă și indică posibilitatea unor implementări scalabile în zone metropolitane. Provocările rămase includ amplificarea pe distanțe lungi și dezvoltarea repetitoarelor, dar încorporarea traficului cuantic în arhitectura condusă de IP este un pas hotărâtor către un internet cuantic funcțional capabil să lege calculatoare cuantice, să permită noi mecanisme criptografice și să accelereze descoperiri în AI, materiale și alte frontiere științifice.
Sursa: scitechdaily
Comentarii