Während verwickelte Photonen ein unglaubliches Versprechen für Quantum Computing und Kommunikation haben, haben sie einen großen inhärenten Nachteil. Nach einem Gebrauch verschwinden sie einfach.
In einer neuen Studie schlagen Physiker der Northwestern University eine neue Strategie zur Aufrechterhaltung der Kommunikation in einem sich ständig verändernden, unvorhersehbaren Quantennetz vor. Durch den Wiederaufbau dieser verschwindenden Verbindungen stellten die Forscher fest, dass sich das Netzwerk schließlich in einem stabilen – wenn auch anderen – Staat niederließ.
Der Schlüssel befindet sich im Hinzufügen einer ausreichenden Anzahl von Verbindungen, um sicherzustellen, dass das Netzwerk weiter funktioniert, wie die Forscher festgestellt haben. Das Hinzufügen von zu vielen Verbindungen ist mit hohen Kosten verbunden, wobei die Ressourcen überstürzt werden. Das Hinzufügen zu wenig Verbindungen führt jedoch zu einem fragmentierten Netzwerk, das die Benutzerbedarf nicht erfüllen kann.
Die Ergebnisse könnten möglicherweise zu optimal gestalteten Quantennetzwerken für Lightning-Fast-Computing und ultra-Sicherheitskommunikation führen.
Die Studie wurde heute (23. Januar) in der Zeitschrift veröffentlicht Physische Überprüfungsbriefe.
„Viele Forscher bemühen sich erhebliche Anstrengungen, um größere und bessere Quantenkommunikationsnetzwerke auf der ganzen Welt aufzubauen“, sagte ISTVán Kovács von Northwestern, der leitende Autor der Studie. „Aber sobald ein Quantennetzwerk für Benutzer geöffnet ist, brennt es nieder. Es ist wie das Überqueren einer Brücke und das Verbrennen hinter Ihnen. Ohne Intervention ist das Netzwerk schnell abgebaut. Um dieses Problem anzugehen, haben wir ein einfaches Modell entwickelt Nach jedem Kommunikationsereignis haben wir eine feste Anzahl von Brücken oder Links zwischen getrennten Knoten hinzugefügt.
Kovács, Experte für komplexe Systeme, ist Assistenzprofessor für Physik und Astronomie am Newsberg College of Arts and Sciences von Northwestern.
Netzwerk von verschwundenen Links
Quantennetzwerke wirken, indem die Quantenverstriche nutzt, ein Phänomen, bei dem zwei Partikel miteinander verbunden sind, unabhängig vom Abstand zwischen ihnen. Xiangi Meng, ein Experte für Quantenkommunikation und einer der ersten Autoren der Studie, beschreibt Verschränkung als „gruselige“, aber effektive Ressource. Zum Zeitpunkt der Forschung war Meng wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Kovács -Gruppe, ist aber jetzt Assistenzprofessor für Physik am Rensselaer Polytechnic Institute in New York.
„Die Quantenverstrickung ist die gruselige, raumbefugte Korrelation zwischen Quantenpartikeln“, sagte Meng. „Es ist eine Ressource, mit der Quantenpartikel miteinander sprechen können, damit sie komplexe Aufgaben zusammen ausführen können und gleichzeitig sicherstellen können, dass kein Abhaut ihre Botschaften abfangen kann.“
Wenn zwei Computer mithilfe verwickelter Links kommunizieren, verschwinden die Links, die mit dieser Kommunikation verbunden sind. Der Kommunikationsakt selbst verändert den Quantenzustand des Links und macht es für weitere Kommunikation unbrauchbar.
„In der klassischen Kommunikation verfügt die Infrastruktur über genügend Kapazitäten, um viele, viele Nachrichten zu bewältigen“, sagte Kovács. „In einem Quantennetzwerk kann jeder Link nur eine einzige Information senden. Dann fällt es auseinander.“
Die Zaubernummer stecken
Um besser zu verstehen, wie sich Netzwerke unter ständiger Veränderung verhalten, bauten Kovács und sein Team ein vereinfachtes Modell der Benutzer in einem Quantennetzwerk auf. Erstens ermöglichten die Forscher den Benutzern, andere Benutzer zufällig auszuwählen, mit denen sie kommunizieren können. Dann fanden sie den kürzesten und effizientesten Kommunikationspfad zwischen diesen Benutzern und entfernten alle Links auf diesem Weg. Dies schuf eine „Pfadverdauerung“, bei der das Netzwerk mit jedem Kommunikationsereignis allmählich zusammenbricht.
Nachdem Kovács und sein Team dieses Problem untersucht hatten, versuchten sie, eine Lösung anzubieten. Durch die Modellierung fanden sie die genaue Anzahl von Links, die nach jedem Kommunikationsereignis hinzugefügt wurden. Diese Zahl liegt an der kritischen Grenze zwischen der Wartung des Netzwerks und der Frakturierung des Netzwerks. Überraschenderweise stellte das Team fest, dass die kritische Zahl nur die Quadratwurzel der Anzahl der Benutzer ist. Wenn beispielsweise 1 Million Benutzer vorhanden sind, müssen 1.000 Links für jedes 1-Qubit von Informationen, die über das Netzwerk gesendet wurden, neu angepasst werden.
„Es wäre selbstverständlich zu erwarten, dass diese Zahl mit der Anzahl der Benutzer oder sogar quadratisch mit der Anzahl der Benutzerpaare, die kommunizieren könnten, linear zunimmt“, sagte Kovács. „Wir haben festgestellt, dass die kritische Zahl im Vergleich zur Anzahl der Benutzer tatsächlich ein sehr kleiner Teil ist. Wenn Sie jedoch weniger als das hinzufügen, fällt das Netzwerk auseinander und die Menschen können nicht kommunizieren.“
Kovács stellt sich vor, dass diese Informationen möglicherweise anderen helfen könnten, ein optimiertes, robustes Quantennetzwerk zu entwickeln, das Fehler tolerieren kann. Neue Links können automatisch hinzugefügt werden, wenn andere Links verschwinden – ein widerstandsfähigeres Netzwerk.
„Das klassische Internet wurde nicht als völlig robust gebaut“, sagte Kovács. „Es entstand natürlich aufgrund technologischer Einschränkungen und des Benutzerverhaltens. Es wurde nicht gestaltet, es geschah nur. Aber jetzt können wir mit dem Quanten -Internet besser abschneiden. Wir können es entwerfen, um sicherzustellen, dass es sein volles Potenzial ausschöpft.“
