Helmikuussa 2020 Yhdysvaltain energiaministeriön Argonnen kansallisen laboratorion ja Chicagon yliopiston tutkijat havaitsivat saavuttaneensa kvanttitangon – johon kahden pienen hiukkasparin käyttäytyminen sitoutuu siten, että niiden valtiot ovat identtiset – tämä tapahtui 83,7 km: n verkostossa kvantin kanssa silmukoita Chicagon lähiöissä.
Saatat miettiä, mistä tässä hälinästä on kyse, jos et ole kvanttimekaniikkaan perehtynyt tutkija eli aineen ja energian käyttäytyminen todellisuuden pienimmässä mittakaavassa, joka on erityisen erilainen kuin maailma, jonka voimme nähdä ympärillämme.
Tutkijoiden etsintä voi olla tärkeä askel uuden, paljon tehokkaamman Internet-version kehittämisessä lähivuosikymmenien aikana. Nykyaikaisen verkon käyttämien bittien sijaan, jotka voidaan ilmaista vain 0: lla tai 1: llä, tuleva kvantti-Internet käyttää kvanttitietojen kvittejä, jotka voivat saada loputtoman määrän arvoja. (Qubit on tietoyksikkö kvanttitietokoneelle.)
Tämä antaisi kvantti-internetille paljon kaistanleveyttä, jolloin se voisi liittää erittäin tehokkaita kvanttitietokoneita ja muita laitteita sekä käyttää sovelluksia, jotka eivät yksinkertaisesti ole mahdollisia Internetin kanssa.
“Kvantti-internetistä tulee foorumi kvanttiekosysteemille, jossa tietokoneet, verkot ja anturit vaihtavat tietoja täysin uudella tavalla, jolloin aistiminen, viestintä ja laskenta toimivat kirjaimellisesti yhdessä”, selittää koulun spintroniikan ja kvanttitietojen professori David Aushalom. Pritzkerin molekyylitekniikka Chicagon yliopistossa ja vanhempi tutkija Argonnessa, joka johti kvanttisilmukaprojektia.
Mikä on Quantum Internet?
Joten miksi me tarvitsemme häntä ja mitä hän tekee? Ensinnäkin, kvantti-internet ei korvaa nykyistä internetiä. Pikemminkin se on lisäys siihen. Hän voisi huolehtia joistakin ongelmista, jotka häiritsevät nykyistä Internetiä. Esimerkiksi kvantti-internet tarjoaa paremman suojan hakkereita ja tietoverkkorikollisia vastaan. Juuri nyt, jos New Yorkin Alice lähettää Internetin välityksellä viestin Kalifornian Bobille, viesti kulkee suunnilleen suorassa linjassa rannikosta rannikolle. Matkan varrella viestin kantavat signaalit heikkenevät; toistimet lukevat signaaleja, vahvistavat ja korjaavat virheet. Mutta tämä prosessi antaa hakkereille mahdollisuuden “murtaa” ja siepata viesti.
Kvanttiviesteillä ei ole tätä ongelmaa. Kvanttiverkot käyttävät kevyitä fotonihiukkasia viestien lähettämiseen, jotka ovat immuuneja kyberhyökkäyksille. Sen sijaan, että salaisimme viestin matemaattisella monimutkaisuudella, luotamme kvanttifysiikan erityissääntöihin, kertoo Ray Alell, tutkija Los Alamosin kansallisesta laboratoriosta. Kvanttitiedoilla 'et voi kopioida tai jakaa niitä etkä edes voi tarkastella niitä muuttamatta niitä'. Itse asiassa vain yrittää siepata viesti tuhoaa viestin, kuten langallinen loki toteaa. Tämä tekisi kaikesta paljon turvallisempaa kuin mitä tänään on saatavilla.
“Helpoin tapa ymmärtää kvantti-internetin käsite on kvantti-teleportoinnin käsite”, sanoo Sumit Khatri, tutkija Louisianan osavaltion yliopistosta Baton Rougessa. Hän ja hänen kollegansa kirjoittivat artikkelin avaruuspohjaisen kvantti-Internetin mahdollisuudesta, jossa satelliitit lähettävät jatkuvasti sotkeutuneita fotoneja maapallon pinnalle, kuten tekniikan yleiskatsaus -artikkelissa kuvataan.
“Kvantti teleportointi ei ole kuin mitä ei-tiedemiehen mieli voisi keksiä sen suhteen, mitä he näkevät scifi-elokuvissa”, Khatri sanoo. 'Kvanttitelortoinnissa kaksi kommunikoida haluavaa ihmistä jakaa takertuneen kvanttihiukkasparin. Sitten lähetin voi useiden toimintojen kautta lähettää mitä tahansa kvanttitietoa vastaanottimelle (vaikka tätä ei voida tehdä nopeammin kuin valon nopeus). Tämä joukko yleisiä sotkeutumisia ihmisparien välillä ympäri maailmaa muodostaa olennaisesti kvantti-Internetin. Tärkein tutkimuskysymys on, kuinka nämä sotkeutuneet parit voidaan parhaiten jakaa ympäri maailmaa asuvien ihmisten kesken.
Kun tämä voidaan tehdä suuressa mittakaavassa, kvantti-Internetistä tulee niin hämmästyttävän nopea, että etäkellot synkronoidaan noin tuhat kertaa tarkemmin kuin parhaimmat saatavilla olevat atomikellot, Cosmos-lehden mukaan. Tämä tekisi GPS-navigoinnista paljon tarkempaa kuin nykyään, ja se näyttäisi maapallon painovoimakentän niin yksityiskohtaisesti, että tutkijat voivat huomata gravitaatioaaltojen sykkeen. Se voisi myös antaa fotonien teleportoitua kaukaisista näkyvän valon teleskoopeista maan yli ja liittää ne jättiläiseen virtuaaliseen observatorioon.
“Voit mahdollisesti nähdä planeettoja muiden tähtien ympärillä”, sanoo Nicholas Peters, kvanttitieteen tiimipäällikkö Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa.
Kvantti-Internetin rakentamisen ongelmat.
Mutta ennen kuin mitään tästä voi tapahtua, tutkijoiden on selvitettävä, kuinka rakentaa kvantti-Internet, ja kun otetaan huomioon kvanttimekaniikan outo luonne, se ei ole helppoa. “Klassisessa maailmassa voit koodata tietoa ja tallentaa sen, eikä se tuhoa”, Peters sanoo. “Kvanttimaailmassa koodaat tietoja, ja ne alkavat hajota melkein välittömästi.”
Toinen ongelma on, että koska kvanttitietoja vastaava energiamäärä on todella pieni, sitä on vaikea estää vuorovaikutuksessa ulkomaailman kanssa. Nykyään “monissa tapauksissa kvanttijärjestelmät toimivat vain hyvin matalissa lämpötiloissa”, Newell sanoo. “Toinen vaihtoehto on työskennellä tyhjiössä.”
Newell sanoo, että kvantti-internet-toiminnon luomiseksi tarvitsemme sellaisia laitteita, joita ei ole vielä kehitetty. Siksi on vaikea sanoa tarkalleen milloin kvantti-Internet käynnistetään, vaikka jotkut tutkijat ehdottavat, että tämä voi tapahtua jo vuonna 2030.
