Проблема повышения пропускной способности телекоммуникационного оборудования и линий связи становится всё серьёзнее по мере роста числа абонентов и объёмов трафика. Исчерпание адресного пространства вынудило даже перейти на IPv6, но помимо организационных мер требуются и физические.

Основные надежды в области скоростной телекоммуникации связаны с квантовой физикой. В отличие от принципов функционирования уже привычных волоконно-оптических систем связи, использование квантовых состояний позволяет кодировать и передавать в единичном фотоне более одного бита. Теоретически за счёт этого можно увеличить количество одномоментно передаваемой информации, но на практике эта идея уже много лет не может быть реализована в реальных устройствах по разным причинам.

Недавно китайские физики представили маршрутизатор на одном кубите. Это кажется прорывом и вселяет надежды… но только до знакомства с деталями.

Иллюстрация принципиальной архитектуры квантового маршрутизатора. Управляющий фотон может находиться в различных состояниях суперпозиции, которые и определят дальнейший путь связанного с ним сигнального фотона

В настоящее время возможно передавать фотоны в квантовом состоянии только в пределах одного оптоволокна. Перенаправление в другое (маршрутизация) требует корректного определения дальнейшего пути порции данных и генерирования соответствующего управляющего сигнала.

Обычный электронный роутер считывает адрес получателя непосредственно из пакета данных и отправляет его дальше согласно таблице маршрутизации. Однако согласно теореме о запрете клонирования такой способ не подходит для квантового устройства, поскольку считывание кубита разрушит его.

Схема коммуникации с использованием маршрутизатора на одном кубите

Сюин Чанг (Xiuying Chang) и его коллеги из университета Цинхуа в Пекине заявили о том, что им удалось создать и успешно испытать первый маршрутизатор, в котором и передаваемый, и управляющий фотоны находятся в квантовом состоянии.

В разработанном ими устройстве информация кодируется при помощи изменения поляризации фотонов. На первом этапе создаётся единичный фотон в состоянии суперпозиции (горизонтальная и вертикальная поляризация). Затем он подвергается преобразованию в нелинейной среде, известному как спонтанное параметрическое рассеяние (СПР).

В результате этого процесса один фотон преобразуется в пару фотонов с меньшей энергией в запутанном состоянии, причём оба полученных фотона находятся в суперпозиции. Далее один из этих фотонов используется в качестве управляющего сигнала, определяющего направление передачи другого.

Как и всё в квантовом мире, успешность такой маршрутизации носит вероятностный характер. Однако, при всей изящности решения сложной задачи, созданный “однокубитный роутер” – всего лишь доказательство концепции, а не прототип будущих серийных устройств. Поскольку СПР не может одновременно оперировать несколькими фотонами, предложенное решение не является масштабируемым и потому непригодно для практического применения.

К счастью, помимо фотонов в запутанном состоянии есть варианты применения и других квантовых свойств. Так, группой исследователей из университетов Австралии и Сингапура была разработана методика, основанная на эффекте квантового разлада. Данное явление было выявлено во многих физических системах и часто характеризовалось как нежелательное. Однако группа под руководством профессора Пинг Кой Лам (Ping Koy Lam) смогла использовать этот феномен для более плотного кодирования потока информации, передаваемого в лазерном луче.

Эти примеры иллюстрируют целесообразность поиска способов обхода давних проблем вместо их формального решения. Также они показывают, что любому физическому явлению можно найти практическое применение, а негативными свойствами его наделяет исключительно наше сознание.