Dok istraživači nastavljaju činiti kvantna računala sve sposobnijima, obična računala i dalje imaju veliku prednost: njihovi podaci, predstavljeni u nizovima nula i jedinica, mogu voziti informacijskom superautocestom. Kvantna računala, koja umjesto toga rade na kvantnoj superpoziciji nula i jedinica, ne mogu koristiti internet za međusobno komuniciranje.

Više projekata diljem svijeta radi na stvaranju "kvantnog interneta", mreže u kojoj kvantna računala mogu dijeliti i razmjenjivati informacije. Jedan takav projekt, suradnja između Brookhaven National Lab i Sveučilišta Stony Brook u New Yorku, nedavno je postigao veliku prekretnicu: demonstriranje da se kvantni bitovi, ili kubiti, iz dva udaljena kvantna računala mogu spregnuti na trećem mjestu. Ovo je kritičan korak u stvaranju kvantnog interneta, a značajno je da su istraživači to učinili preko standardnih internetskih kabela.

“Dio izazova izgradnje kvantnog interneta je u kojoj mjeri uopće mogu dobiti kvantne informacije putem vrsta optičkih mreža koje koristimo za normalnu komunikaciju?” rekao je Joseph Lykken, zamjenik direktora istraživanja u Fermi National Accelerator Laboratory i voditelj Fermilab Quantum Instituta. "To je jako važno, a oni to rade na većoj udaljenosti u Brookhaven-Stony Brooku nego što mislim gotovo bilo tko drugi."

Kvantna računala nisu supermoćne verzije klasičnih računala. Umjesto toga, pristupaju računalstvu na potpuno nov način. Oni teoretski mogu iskoristiti prednosti kvantnomehaničkih koncepata kao što su superpozicija i sprezanje za rješavanje određenih vrsta problema - na primjer, onih koji se pojavljuju prilikom šifriranja podataka ili simulacije kemijskih reakcija - mnogo brže od tradicionalnih pristupa. Tehnologija kvantnog računanja još je u ranoj fazi razvoja, a mnoge od najperspektivnijih aplikacija ostaju nerealizirane. Druge aplikacije možda tek treba otkriti.

Slično, "kvantni internet" neće biti superbrza i sigurna verzija današnjeg interneta. Umjesto toga, vjerojatno će imati određene aplikacije koje prenose kvantne informacije između računala. Da bi se to postiglo, kubiti računala su spregnuti, što znači da se stavljaju u superpoziciju u kojoj njihova odvojena moguća kvantna stanja postaju ovisna jedno o drugom, a kubiti tada postaju jedan kvantni sustav. Mjerenje stanja jednog od ovih kubita razbija superpoziciju, odmah utječući na stanje ostalih - a ovaj proces mjerenja/spregnutosti je način na koji se kvantne informacije mogu prenijeti.

Sprezanje između dva kvantna računala eksperimentalno je moguće već nekoliko godina, ali grupa u Brookhavenu i Stony Brooku otišla je korak dalje: stvorili su najdužu kvantnu mrežu u Sjedinjenim Državama pokazujući da se dva kvantna računala mogu spregnuti pomoću trećeg čvora. Ovo je prvi korak u izgradnji mreže u kojoj mnoga računala mogu "razgovarati" jedno s drugim putem središnjeg čvora.

Kako bi proveli eksperiment, istraživači su se suočili s izazovom jedinstvenim za kvantne sustave: kako bi spregnuli kvantne čestice, koje čine kubite, čestice moraju stići do čvora potpuno se ne razlikujući jedna od druge iako su išle različitim putovima da dođu do njega. Što je put drugačiji, to je ovo teže - i mreža između Brookhavena i Stony Brooka proteže se preko tradicionalnih optičkih kabela koji su kilometrima dugi, prolazeći ispod četvrti i autocesta Long Islanda.

“Nije izvedivo posvuda položiti nove kabele, tako da je bilo važno koristiti ono što je u zemlji”, rekla je Kerstin Kleese Van Dam, direktorica Inicijative za računalnu znanost u Brookhavenu.

Svaka neočekivana interakcija između jedne od prenesenih kvantnih čestica i njezine okoline mogla bi je učiniti razlikovnom od druge. No, unatoč svim potencijalnim izvorima smetnji, eksperiment je uspio dokazati da bi čestice mogle putovati preko 70 kilometara preko tradicionalne infrastrukture i dalje stići nerazlučive.

"Naši rezultati pokazuju da se ti fotoni mogu spregnuti, da će mjerenje funkcionirati", rekao je Eden Figueroa, kvantni fizičar sa Sveučilišta Stony Brook i vodeći znanstvenik projekta.

Nedavni eksperiment bio je jednosmjeran: kvantna računala poslala su svoje kubite čvoru, ali čvor je jednostavno odredio mogu li se spregnuti i nije ništa poslao. Sljedeći korak, rekao je Figueroa, je sprezanje kvantnih memorija računala, što bi bilo analogno povezivanju tvrdih diskova dvaju tradicionalnih računala.

"U nastavku se nadamo da ćemo umjesto same memorije, također spregnuti računala - ne samo povezujući tvrde diskove već i procesorske jedinice", rekao je Figueroa. “Naravno, to nije lako.”

Preostale prepreke kvantnom internetu mješavina su istraživačkih pitanja i infrastrukturnih problema. Jedan je problem da manipulacija kubitima između kvantnih računala zahtijeva sinkronizaciju i nadzor na način na koji to ne zahtijeva upravljanje tradicionalnim bitovima. To znači da, iako kvantna računala ne mogu izravno razmjenjivati kvantne informacije putem interneta, još uvijek trebaju konvencionalna računala koja koriste internet za komunikaciju.

"Ne možete izgraditi kvantnu mrežu i biti uspješni bez klasične mreže", rekao je Inder Monga, direktor Mreže energetskih znanosti, koja pruža usluge umrežavanja svim američkim nacionalnim laboratorijima. "Morate kontrolirati, upravljati i sinkronizirati kvantne uređaje preko klasične mreže kako biste stvarno prenijeli informacije između dva kraja kvantne mreže."

Ovo oslanjanje na tradicionalni internet znači da je nastojanje da se izgradi kvantni internet vrlo interdisciplinarno, rekli su Monga i Figueroa. Zahtijeva stručnost u osnovnim istraživanjima kvantnog računala, kao i inženjering komunikacijske infrastrukture.

"Postoji isto toliko istraživačkih problema koliko i inženjerskih problema", rekao je Monga, "a da bismo stvarno došli do vizije kvantnog interneta, bit će potrebna snažna suradnja između ljudi i financiranja kako bi se riješili ne samo osnovni problemi istraživanja fizike, već i stvarno veliki inženjerski izazovi.”

Središnja prepreka kvantnom internetu je ono što Figueroa naziva "svetim gralom kvantne komunikacije": kvantni repetitor. Kvantni repetitor radi kao pojačalo, jer prima signal kvantnih informacija i prosljeđuje ga tako da se sprezanje između računala može dogoditi na većoj udaljenosti. To je neophodno za stvaranje kvantnog interneta koji se širi izvan Long Islanda. Ali postoji kvaka: svaka interakcija s kubitom razbija njegovu superpoziciju - a da bi se informacije prenijele, to se ne može dogoditi dok kubit ne stigne na svoje odredište. Pravi kvantni repetitor mogao bi pojačati kubit bez interakcije s njim, što je naizgled paradoksalan zadatak.

Nedavni eksperiment je u biti polovica kvantnog repetitora. Kleese Van Dam i Figueroa vide dovršeni kvantni repetitor u bliskoj budućnosti: vjerojatno već 2022., rekao je Figueroa. Plan je prenijeti sprezanje u treći laboratorij u Brooklynu, ali za to im je potreban kvantni repetitor.

"Nadamo se da bismo za nekoliko godina zapravo mogli imati radni sustav s repetitorima", rekao je Figueroa. “Onog trenutka kada možemo pokazati tu vezu kvantnog repetitora, samo trebate reproducirati istu arhitekturu, uvijek iznova, kako biste povezali mjesta koja su sve udaljenija jedno od drugog.” On vidi mrežu diljem države New York za 10-15 godina.

Posljednja prepreka je daleko udaljenija, u budućnosti u kojoj je njujorška kvantna mreža povezana s onom koju grade Nacionalni laboratorij Argonne i Sveučilište u Chicagu ili onom koja se gradi u Europi. Te su mreže izgrađene korištenjem temeljno različitih kvantnih računala - dok mreža New Yorka koristi računala čiji su kubiti ugrađeni u pojedinačne zarobljene atome, druge mreže koriste ono što se naziva sustavima čvrstog stanja za izradu i manipulaciju kubitima. Dvije vrste kvantnih računala obavljaju računanje s potpuno različitom arhitekturom.

“Možete zamisliti da će stvarni kvantni internet biti skup kvantnih računala u čvrstom stanju poput onih u Chicagu i atomskih kvantnih računala poput ovih koje imamo ovdje, a mi moramo pronaći način da se povežemo svi oni kako bi zaista izašli s prvim prototipom kvantnog interneta”, rekao je Figueroa. “To bi bilo jako zanimljivo. To bi bilo kao znanstvena fantastika.”

U srpnju 2020., Ministarstvo energetike SAD-a objavilo je "nacrt" svoje strategije za stvaranje nacionalnog kvantnog interneta. Ovaj napor uključuje projekt Brookhaven-Stony Brook i projekt Argonne-University of Chicago, koji su zauzvrat podržani istraživanjem u drugim nacionalnim laboratorijima kao što su Fermi National Accelerator Laboratory i Lawrence Berkeley, Oak Ridge i Los Alamos National Laboratories.

“Dok je kvantno računalstvo dobilo mnogo prostora u medijima i financiranja, razvoj ide prema kvantnom umrežavanju,” rekao je Figueroa, “jer ako ne povežete kvantna računala u ovaj kvantni internet, njihove će primjene biti ograničene. Dakle, pravo je vrijeme za obavljanje ovakvih eksperimenata.”