Quantum-netværk til at teste uhackbar kommunikation

Efterhånden som antallet af hacks og sikkerhedsbrud stiger hurtigt, videnskabsmænd siger, at der kan være en måde at lave et virkelig uhackbart netværk ved at bruge kvantefysikkens love.

For at udforske konceptet, forskere er ved at skabe et netværk i Chicago-området, der anvender kvantefysikkens principper for at sende information. Sådan et link kunne en dag danne grundlaget for et virkelig sikkert netværk, som ville have vidtrækkende indvirkning på kommunikationen, databehandling og national sikkerhed. Den føderale regering anslår, at ondsindet cyberaktivitet kostede den amerikanske økonomi mellem $57 milliarder og $109 milliarder i 2016.

Kvantenetværket, støttet af det amerikanske energiministerium (DOE), vil strække sig mellem DOE's Argonne National Laboratory og Fermi National Acceleratory Laboratory, en forbindelse, der forventes at være blandt de længste i verden til at sende sikker information ved hjælp af kvantefysik. Eksperimentet vil "teleportere" information over en 30-mils afstand, da partikler ændrer deres kvantetilstand øjeblikkeligt i stedet for at rejse mellem to punkter.

"Dette projekt lancerer konstruktionen af ​​et kommunikationsnetværk baseret på materiens kvantetilstande, tilbyder en fundamentalt ny måde at skabe og sikkert sende information på, " sagde David Awschalom, en Argonne-forsker og Liew-familieprofessor i molekylær teknik ved University of Chicago, som er hovedefterforsker af projektet. "Vi vil bygge et nationalt testbed for at udvikle videnskaben til konstruktion af kvantesystemer og udforske egenskaberne ved kvantesammenfiltring, et fænomen, der fascinerer både videnskabsmænd og den brede offentlighed."

Som et resultat af et voksende fokus på kvanteforskning blandt forskere ved Argonne, Fermilab og UChicago, de tre institutioner har dannet et partnerskab, Chicago Quantum Exchange, involverer 70 videnskabsmænd og ingeniører og samler de intellektuelle talenter, forskningskapacitet og ingeniørkraft hos de tre tilknyttede institutioner.

"Det er første gang nogen overhovedet har planlagt at udføre et kvantenetværk som dette:en permanent, fungerende kvanteteleporteringsnetværk på lange afstande i USA, " sagde Fermilabs vicedirektør og forskningschef Joe Lykken. "Vi ønsker at demonstrere den muliggørende kvanteteknologi. Og vi ønsker at udnytte vores ekspertise til at bane vejen for, at andre kan skabe deres egne netværk. For årtier siden, at bygge sådan noget ville bare have været en drøm. Men vi gør det nu og snart vil andre være i stand til det."

'De mærkelige kvantelove'

Det nye kommunikationsnetværk udnytter kvantemekanikkens mærkelige love, som styrer de mindste partiklers interaktioner.

En del af interessen for udviklingen af ​​kvantesystemer stammer fra en regel for kvantemekanikken, der siger, at måling af en kvantepartikel ændrer dens tilstand. Forskere mener, at et kvantesystem kan være praktisk talt uhackbart, fordi hvis nogen forsøger at se på en transmission, det ville blive forstyrret, de ødelagte oplysninger, og afsenderne advarede.

Kvantesystemerne, der udvikles hos Fermilab og Argonne, vil i sidste ende trykke på en underjordisk forbindelse, der først blev bygget i 1980'erne for at teste dataoverførsel. De optiske fiberkabler er stadig uforstyrrede og funktionelle, sagde videnskabsmænd.

Måden kvantenetværket fungerer på er ved at "filtre sammen" partikler, endnu et særpræg af kvantemekanik, der siger, at du kan forbinde to (eller flere) partikler, så de er i en delt tilstand - og hvad der end sker med den ene, påvirker den anden, selvom de er milevidt fra hinanden på det tidspunkt.

Så hvis videnskabsmænd deler et sammenfiltret par partikler mellem to steder, kvanteinformationen kan komme igennem, selvom lokationerne er langt fra hinanden, og de ikke har en fysisk forbindelse mellem dem. Mens kvanteinformationen er blevet "teleporteret, " ingen genstand bliver transporteret.

Indtil nu, systemer som disse er blevet testet i laboratorier og i lille skala. Selv et par kilometers afstand har været en udfordring, da sammenfiltrede partikler ikke må interagere på nogen måde med deres miljø, og videnskabsmænd skal overvinde ethvert tab af fotoner, der udsendes af partiklerne, og præcist koordinere timingen af ​​deres transmissioner.

"Ved at udføre informationsteleportering på tværs af afstande i den virkelige verden med mange miles fra hinanden, kan vi identificere praktiske problemer involveret i driften af ​​et kvantenetværk - hvad er de teknologiske udfordringer, hvor sikker er kommunikationen, og hvad er grænserne for at transportere information på denne måde, " sagde Awschalom.

"Quantetestbeds af lignende skala findes rundt om i verden. Men de fleste af dem er afhængige af sammenfiltrede fotoner - partikler af lys - for at teleportere information. Vores testbed er unik i det, for første gang, vi skubber i retning af en helt solid state-arkitektur, hvor fangede kvantepartikler i faste stoffer bruges som informationsbærere, " sagde Tian Zhong, assisterende professor i molekylær teknik ved University of Chicago og videnskabsmand ved Argonne, som er co-principal investigator af projektet.

Hos Fermilab, Shang-Yi Ch'en professor i fysik ved Caltech Maria Spiropulu er i øjeblikket ved at bygge et onsite kvantenetværk med partnere AT&T og Jet Propulsion Laboratory. De begyndte denne indsats i 2017, og et år senere, Spiropulu og hendes team har implementeret netværket i Fermilab og arbejder på at udvikle forbedrede enheder til langdistance-forviklingsdistribution. Deres mål er på sigt at udvide dette netværk til at udgøre en del af det større Fermilab-Argonne-forbindelse.

"Netværk af kvanteenheder er vigtigt for at skalere kvanteberegninger og opbygge hybride kommunikationssystemer mod et kvanteforstærket internet, " sagde Spiropulu. "Det vil kræve et bevidst samarbejde mellem de offentlige forskningslaboratorier, den akademiske verden, industri og fonde for at nå dertil. Chicago Quantum Exchange-programmet vil katalysere fremskridt på alle disse områder."

Den 8.-9. nov. videnskabsmænd fra Argonne, Fermilab og UChicago vil samles med industrien, akademiske og regeringsledere på området til Chicago Quantum Summit, et program, der udforsker fremtiden for kvantecomputere og informationsvidenskab.

En offentlig begivenhed i byen Chicago med titlen "Quantum Engineering:the Next Technical Arms Race, " med en samtale mellem Awschalom og Hartmut Neven, direktør for Google Quantum Artificial Intelligence Lab, afholdes som en del af topmødet.

Arbejdet med at udvikle Argonne-Fermilab kvantenetværket er støttet af DOE Office of Science.