Сегодняшний Интернет связывает нас по всему миру. Он отправляет пакеты информации, которые формируют связь в классических сигналах — посылаемых вспышками света через оптические волокна, электрически через медный провод или микроволнами для установления беспроводных соединений. Это быстро и надежно. Так зачем разрабатывать квантовый Интернет, который вместо этого использует одиночные фотоны — наименьший возможный квант света?
Потому что есть новые научные области, которые нужно исследовать. Квантовая физика управляет областью очень малого. Это позволяет нам понять — и использовать в наших интересах — уникальные квантовые явления, которым нет классического аналога. Мы можем использовать принципы квантовой физики для разработки датчиков, которые делают более точные измерения, компьютеров, имитирующих более сложные физические процессы, и сетей связи, которые надежно соединяют эти устройства и создают новые возможности для научных открытий.
Квантовые сети используют квантовые свойства фотонов для кодирования информации. Например, фотоны, поляризованные в одном направлении (например, в направлении, которое позволит им проходить через поляризованные солнцезащитные очки), связаны со значением 1. Фотоны, поляризованные в противоположном направлении (чтобы они не проходили через солнцезащитные очки), связаны с нулевым значением. Исследователи разрабатывают протоколы квантовой связи, чтобы формализовать эти ассоциации, позволяя квантовому состоянию фотонов передавать информацию от отправителя к получателю через квантовую сеть.
Квантовые сети используют уникальные квантовые явления, такие как суперпозиция, запрет на клонирование и запутанность, которые недоступны для классических сетей. До того, как фотон будет измерен, он существует в суперпозиции всех своих возможных квантовых состояний, каждое с соответствующей вероятностью. Измерение выбирает одно из этих состояний. Фактически, квантовое состояние фотона невозможно измерить, не вызвав возмущения, которое не подтвердит попытку. Также нельзя скопировать произвольное неизвестное квантовое состояние - клонирование запрещено. Правильно спроектированная и управляемая квантовая сеть получает неотъемлемую безопасность от этого поведения.
Но если фотон нельзя скопировать, как можно усилить связь, чтобы достичь удаленных получателей? Здесь на сцену выходит квантовое явление запутанности. Квантовое состояние каждого запутанного фотона коррелирует с состоянием его запутанных партнеров, независимо от их расстояния друг от друга. Разрабатываются повторители квантовых сетей, которые используют запутанность для расширения диапазона квантовых сетей.
Изменит ли развивающийся квантовый Интернет современный классический Интернет? Нисколько. Сильные стороны квантовых сетей дополняют сильные стороны классических сетей. В конечном итоге мы получим наибольшую выгоду, включив в Интернет как классические, так и квантовые сети с возможностями, превосходящими возможности любой из этих технологий в отдельности.