Η κβαντική έρευνα στο εργαστήριο του Πανεπιστημίου του Σικάγο θα μπορούσε να βοηθήσει στην πρόληψη του hacking και στη σύνδεση ενός μελλοντικού δικτύου υπερυπολογιστών
Τα ταπεινά στοιχεία του The Equipment Closet LL211A διαψεύδουν τη σημασία ενός έργου στην πρώτη γραμμή ενός από τους σημαντικότερους διαγωνισμούς τεχνολογίας στον κόσμο. Ενωμένο κράτος , Κίνα Άλλοι ανταγωνίζονται για να εκμεταλλευτούν τις ιδιόμορφες ιδιότητες των κβαντικών σωματιδίων για την επεξεργασία πληροφοριών με ισχυρούς νέους τρόπους – τεχνολογία που θα μπορούσε να αποφέρει οικονομικά οφέλη και οφέλη εθνικής ασφάλειας στις χώρες που κυριαρχούν.
Η ποσοτική έρευνα είναι τόσο σημαντική για το μέλλον του Διαδικτύου που προσελκύει νέα ομοσπονδιακή χρηματοδότηση, συμπεριλαμβανομένης της πρόσφατα εγκεκριμένης. Τσιπ και νόμος της επιστήμης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, εάν το πρόβλημα επιλυθεί, ένα κβαντικό Διαδίκτυο μπορεί να προστατεύσει τις οικονομικές συναλλαγές και τα δεδομένα υγειονομικής περίθαλψης, να αποτρέψει την κλοπή ταυτότητας και να σταματήσει τους εχθρικούς χάκερ από το κράτος.
Μόλις την περασμένη εβδομάδα τρεις φυσικοί συνδρομητής Βραβείο Νόμπελ για την κβαντική έρευνα που βοήθησε να ανοίξει ο δρόμος για αυτό το διαδίκτυο του μέλλοντος.
Η ποσοτική έρευνα έχει ακόμη πολλά εμπόδια να ξεπεράσει πριν φτάσει σε ευρεία χρήση. Όμως, τράπεζες, εταιρείες υγειονομικής περίθαλψης και άλλοι έχουν αρχίσει να πειραματίζονται με το κβαντικό Διαδίκτυο. Ορισμένες βιομηχανίες επίσης μπάλωμα Χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές στα αρχικά τους στάδια για να δούμε αν μπορούν τελικά να λύσουν προβλήματα που δεν μπορούν οι σημερινοί υπολογιστές, όπως η ανακάλυψη νέων φαρμάκων για τη θεραπεία ανίατων ασθενειών.
Είναι πολύ νωρίς για να φανταστούμε όλες τις πιθανές εφαρμογές, είπε ο Grant Smith, μεταπτυχιακός φοιτητής στην ομάδα κβαντικής έρευνας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
«Όταν οι άνθρωποι έφτιαξαν για πρώτη φορά τα αρχικά intranet που συνδέουν υπολογιστές σε ερευνητικό επίπεδο, πανεπιστήμια και εθνικά εργαστήρια, δεν μπορούσαν να προβλέψουν το ηλεκτρονικό εμπόριο», είπε κατά τη διάρκεια μιας πρόσφατης περιοδείας σε πανεπιστημιακά εργαστήρια.
Η μελέτη της κβαντικής φυσικής ξεκίνησε στις αρχές του 20ου αιώνα, όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα μικρότερα αντικείμενα του σύμπαντος -άτομα και υποατομικά σωματίδια- συμπεριφέρονται με τρόπους διαφορετικούς από την ύλη στον κόσμο μεγάλης κλίμακας, όπως να εμφανίζονται σε πολλά μέρη ταυτόχρονα. .
Αυτές οι ανακαλύψεις, που ονομάζονται η πρώτη κβαντική επανάσταση, οδήγησαν σε νέες τεχνολογίες όπως το λέιζερ και το ατομικό ρολόι. Αλλά η έρευνα φέρνει τώρα τους επιστήμονες πιο κοντά στο να αξιοποιήσουν περισσότερες από τις δυνάμεις του κβαντικού κόσμου. Ο David Oshalom, καθηγητής στη Σχολή Μοριακής Μηχανικής Pritzker του Πανεπιστημίου του Σικάγο και επικεφαλής της κβαντικής ομάδας, αποκαλεί αυτό μια δεύτερη κβαντική επανάσταση.
Το πεδίο, είπε, «επιχειρεί να σχεδιάσει τον τρόπο με τον οποίο η φύση συμπεριφέρεται στα πιο θεμελιώδη επίπεδά της για τον κόσμο μας και να εκμεταλλευτεί αυτές τις συμπεριφορές σε νέες τεχνολογίες και εφαρμογές».
Οι σημερινοί υπολογιστές και τα δίκτυα επικοινωνιών αποθηκεύουν, επεξεργάζονται και μεταδίδουν πληροφορίες διασπώντας τις σε μεγάλες ροές bit, που είναι συνήθως ηλεκτρικοί ή φωτεινοί παλμοί που αντιπροσωπεύουν το μηδέν ή το ένα.
Κβαντικά σωματίδια, γνωστά και ως κβαντικά bit, ή qubit, μπορούν να υπάρχουν ως μηδενικά και ένα ταυτόχρονα, ή οπουδήποτε ενδιάμεσα, μια ευελιξία γνωστή ως “επικάλυψη” που τους επιτρέπει να επεξεργάζονται πληροφορίες με νέους τρόπους. Μερικοί φυσικοί το συγκρίνουν με ένα νόμισμα που περιστρέφεται ταυτόχρονα στην περίπτωση του κεφαλιού και της ουράς.
Τα κβαντικά bit μπορούν επίσης να εμφανίσουν”μπλέξιμο“όπου δύο ή περισσότερα σωματίδια είναι στενά συνδεδεμένα και καθρεφτίζονται πλήρως το ένα το άλλο, ακόμη και όταν τα χωρίζει μεγάλη φυσική απόσταση. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ονόμασε αυτήν την “τρομακτική δράση σε απόσταση”.
Το υλικό του ντουλαπιού είναι συνδεδεμένο με ένα δίκτυο οπτικών ινών μήκους 124 μιλίων που εκτείνεται από την πανεπιστημιούπολη Southside του πανεπιστημίου στο Σικάγο έως δύο ομοσπονδιακά χρηματοδοτούμενα εργαστήρια στα δυτικά προάστια που συνεργάζονται στην έρευνα – το Εθνικό Εργαστήριο Argonne και το Εθνικό Επιταχυντή Fermi.
Η ομάδα χρησιμοποιεί φωτόνια – κβαντικά σωματίδια φωτός – για να στείλει κλειδιά κρυπτογράφησης σε όλο το δίκτυο, για να δει πόσο καλά ταξιδεύουν μέσα από ίνες που περνούν κάτω από αυτοκινητόδρομους, γέφυρες και διόδια. Τα κβαντικά σωματίδια είναι πολύ ευαίσθητα και τείνουν να συντρίβονται με την παραμικρή διαταραχή, όπως δόνηση ή αλλαγή θερμοκρασίας, επομένως η αποστολή τους σε μεγάλες αποστάσεις στον πραγματικό κόσμο είναι δύσκολη.
Στο υπόγειο ντουλάπι ενός πανεπιστημίου, ένα κομμάτι υλικού κατασκευασμένο από την ιαπωνική εταιρεία Toshiba εκπέμπει μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων και στέλνει ένα από κάθε ζευγάρι μέσω του δικτύου στο Argonne, το οποίο βρίσκεται 30 μίλια μακριά, στο Lemonte του Ιλινόις. Ένα μοναδικό κλειδί κρυπτογράφησης είναι κρυπτογραφημένο σε μια αλυσίδα ζευγών φωτονίων.
Δεδομένου ότι τα ζευγάρια είναι αλληλένδετα, είναι απόλυτα συγχρονισμένα μεταξύ τους. «Κατά μία έννοια, μπορείτε να το δείτε ως μια πληροφορία», είπε ο Oshalom.
Όταν τα φωτόνια που ταξιδεύουν φτάσουν στο αργό, οι επιστήμονες τα μετρούν και εξάγουν το κλειδί.
Όποιος επιχειρούσε να χακάρει το δίκτυο για να υποκλέψει το κλειδί θα αποτύγχανε, είπε ο Oshalom, επειδή οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής ορίζουν ότι οποιαδήποτε προσπάθεια παρατήρησης σωματιδίων σε κβαντική κατάσταση μεταβάλλει τα σωματίδια αυτόματα και καταστρέφει τις πληροφορίες που μεταδίδονται. Επίσης, ειδοποιεί τον αποστολέα και τον παραλήπτη για μια προσπάθεια υποκλοπής.
Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η τεχνολογία έχει τέτοια ελπίδα.
«Υπάρχουν τεράστιες τεχνικές δυσκολίες που πρέπει να ξεπεραστούν, αλλά θα μπορούσατε να υποστηρίξετε ότι αυτό θα μπορούσε να γίνει εξίσου σημαντικό με την τεχνολογική επανάσταση του 20ου αιώνα που μας έδωσε το λέιζερ, το τρανζίστορ, το ατομικό ρολόι και κατ’ επέκταση το GPS και το Διαδίκτυο », είπε ο Stephen Gervin, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Yale, για τις ανακαλύψεις. Σύγχρονη κβαντική τεχνολογία.
Σε ένα εργαστήριο δίπλα στο ντουλάπι, ο Oshalom και οι συνεργάτες του προσπαθούν να αναπτύξουν νέες συσκευές που βοηθούν τα φωτόνια να μεταδίδουν πληροφορίες σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Το δωμάτιο είναι μια περιορισμένη συλλογή πολλών εκατομμυρίων δολαρίων από εργαστηριακό εξοπλισμό, λέιζερ και μια εικόνα της μηχανής του Thomas the Tank, επειδή ένα από τα όργανα κάνει έναν συνεχή θόρυβο. «Νομίζω ότι έχει κωμική αξία», είπε ο μεταπτυχιακός φοιτητής Cyrus Zeledon.
Ένα από τα προβλήματα που προσπαθούν να λύσουν: ενώ μικρά σωματίδια φωτός ταξιδεύουν μέσα από τις γυάλινες ίνες του πλέγματος, τα ελαττώματα στο γυαλί προκαλούν την εξασθένηση του φωτός μετά από μια ορισμένη απόσταση. Έτσι, οι ερευνητές προσπαθούν να αναπτύξουν συσκευές που μπορούν να συλλάβουν και να αποθηκεύσουν πληροφορίες από σωματίδια φωτός καθώς ταξιδεύουν και στη συνέχεια να στείλουν τις πληροφορίες πίσω προς τα εμπρός χρησιμοποιώντας ένα νέο σωματίδιο – όπως το Photon Pony Express.
Φορώντας μωβ λαστιχένια γάντια για να αποφύγει την καταστροφή της επιφάνειας, ο Zeledon άρπαξε μια μικρή πλακέτα κυκλώματος που περιείχε δύο τσιπ καρβιδίου του πυριτίου που ο ίδιος και οι συνάδελφοί του δοκιμάζουν ως συσκευή για την αποθήκευση και τον έλεγχο πληροφοριών από κβαντικά qubits. Αργότερα εκείνη την ημέρα, ο Zeledon σχεδίαζε να ψύξει τα τσιπ σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και να τα εξετάσει κάτω από ένα μικροσκόπιο, αναζητώντας τα κβαντικά κομμάτια που είχε εμφυτεύσει στα τσιπ τα οποία θα μπορούσε στη συνέχεια να επεξεργαστεί χρησιμοποιώντας μικροκύματα για να ανταλλάξει πληροφορίες με τα φωτόνια.
Στην άλλη άκρη του διχτυού ένα πρωί, ο επιστήμονας Argonne Joe Hermans, πρώην μαθητής του Oshalom, ζήτησε συγγνώμη για το δυνατό τρίξιμο που αντήχησε επίσης γύρω από το εργαστήριό του. Πού ήταν η εικόνα του Thomas the Tank Engine; «Προσπαθούμε να είμαστε λίγο πιο επαγγελματίες εδώ», είπε αστειευόμενος.
Ο Hermanns και οι συνεργάτες του προσπαθούν επίσης να αναπτύξουν νέες συσκευές και υλικά για να βοηθήσουν τα φωτόνια να μεταδώσουν κβαντικές πληροφορίες σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Ένα υλικό που υπόσχεται είναι το συνθετικό διαμάντι, είπε, καθώς κουνάει το κεφάλι του προς έναν αντιδραστήρα που καλλιεργούσε διαμάντια με παγετώδη ρυθμό νανόμετρα την ώρα.
Ομοσπονδιακή χρηματοδότηση από National Quantum Initiative LawΤο εργαστήριο, που πέρασε από το Κογκρέσο και υπεγράφη από τον Πρόεδρο Ντόναλντ Τραμπ το 2018, βοήθησε πρόσφατα το εργαστήριο να αγοράσει έναν δεύτερο αντιδραστήρα που θα καλλιεργεί τα διαμάντια πιο γρήγορα. ο Τσιπ και νόμος της επιστήμηςτο οποίο υπέγραψε ο Πρόεδρος Μπάιντεν τον Αύγουστο, παρέχει πρόσθετη υποστήριξη έρευνας και ανάπτυξης που θα ενισχύσει την ποσοτική προσπάθεια.
Σε μια γωνιά του εργαστηρίου του, ο Χέρμανς έδειξε μια μηχανή Toshiba παρόμοια με αυτή στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Από εκεί, ένα σετ χρωματιστών καλωδίων μεταφέρει σήματα προς και από το πλέγμα, τα οποία, αφού φύγουν από το εργαστήριο, περνούν σε ένα σύντομο βρόχο κάτω από τα κοντινά Ikea και Buffalo Wild Wings πριν πυροβολήσουν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση προς το πανεπιστήμιο και το Fermilab.
Οι επιστήμονες διεξάγουν πειράματα σε παρόμοια πειράματα στη Βοστώνη, τη Νέα Υόρκη, το Μέριλαντ και την Αριζόνα. Πειραματικά δίκτυα υπάρχουν επίσης στην Ολλανδία, τη Γερμανία, την Ελβετία και την Κίνα.
Ο στόχος είναι μια μέρα να συνδεθεί κάθε μία από αυτές τις βάσεις δοκιμών, μέσω συνδέσεων οπτικών ινών και δορυφόρων, με το εκκολαπτόμενο κβαντικό Διαδίκτυο που καλύπτει τις Ηνωμένες Πολιτείες και, τελικά, τον κόσμο. Καθώς το δίκτυο μεγαλώνει, θα μπορούσε ιδανικά να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την αποστολή κρυπτογραφημένων πληροφοριών, αλλά και για τη σύνδεση κβαντικών υπολογιστών για να αυξηθεί η ισχύς επεξεργασίας τους, όπως κάνει το cloud για τους υπάρχοντες υπολογιστές.
«Η ιδέα ενός κβαντικού Διαδικτύου βρίσκεται σε διαδικασία γέννησης», είπε ο Smith.