Физики Северо-Западного университета США разработали стратегию поддержания стабильных квантовых сетей, решая фундаментальную проблему исчезновения запутанных фотонов после их использования. Исследование предлагает практическое решение для создания устойчивых квантовых коммуникаций в постоянно меняющейся сетевой среде.

Команда учёных под руководством Иштвана Ковача обнаружила, что ключ к поддержанию работоспособности квантовой сети заключается в добавлении оптимального количества новых соединений после каждого акта коммуникации. При этом важно соблюсти баланс: слишком много соединений перегружает ресурсы системы, а недостаточное количество приводит к фрагментации сети и невозможности удовлетворить потребности пользователей.

Древовидные компоненты в устойчивом состоянии (структура и свойства сетевых компонентов в стабильном состоянии). a) Моментальный «снимок» устойчивого состояния. b) График, показывающий, как размер компонентов влияет на среднюю длину пути между узлами. c) Распределение длин удаленных связей в стабильном состоянии системы. Источник: arXiv DOI: 10.48550/arxiv.2406.12228

Квантовые сети основаны на явлении квантовой запутанности – феномене, при котором две частицы остаются связанными независимо от расстояния между ними. Сянги Мэн, один из ведущих авторов исследования, описывает квантовую запутанность как «загадочный», но эффективный ресурс, позволяющий квантовым частицам «общаться» друг с другом и выполнять сложные задачи, обеспечивая при этом полную защиту от перехвата сообщений.

Особенность квантовых коммуникаций заключается в том, что каждое квантовое соединение может быть использовано только один раз. «В классических коммуникациях инфраструктура способна обрабатывать множество сообщений. В квантовой сети каждая связь может передать только один бит информации, после чего разрушается», – поясняет Ковач.

Исследователи создали упрощённую модель пользователей в квантовой сети, где участники случайным образом выбирали партнёров для коммуникации. После каждого акта связи все использованные соединения исчезали, что постепенно приводило к разрушению сети. Учёные обнаружили, что для поддержания стабильности сети достаточно добавлять количество новых связей, равное квадратному корню от числа пользователей. Например, в сети с миллионом пользователей необходимо добавлять тысячу новых связей после передачи каждого кубита информации.

Это открытие может стать основой для создания оптимизированных, устойчивых квантовых сетей, способных автоматически восстанавливать утраченные соединения. В отличие от классического интернета, который формировался стихийно под влиянием технологических ограничений и пользовательского поведения, квантовый интернет может быть спроектирован с учётом требований максимальной надёжности и эффективности.

Подробнее на iXBT