När antalet hacks och säkerhetsintrång snabbt stiger, forskare säger att det kan finnas ett sätt att skapa ett verkligt ointagbart nätverk genom att använda kvantfysikens lagar.

För att utforska konceptet, forskare skapar ett nätverk i Chicago-området som använder kvantfysikens principer för att skicka information. En sådan länk skulle en dag kunna utgöra grunden för ett riktigt säkert nätverk, som skulle få stor inverkan på kommunikationen, datorer och nationell säkerhet. Den federala regeringen uppskattar att skadlig cyberaktivitet kostade den amerikanska ekonomin mellan 57 och 109 miljarder dollar 2016.

Kvantnätverket, med stöd av det amerikanska energidepartementet (DOE), kommer att sträcka sig mellan DOE:s Argonne National Laboratory och Fermi National Acceleratory Laboratory, en anslutning som förväntas vara bland de längsta i världen för att skicka säker information med hjälp av kvantfysik. Experimentet kommer att "teleportera" information över ett avstånd på 30 mil, eftersom partiklar ändrar sina kvanttillstånd omedelbart snarare än att resa mellan två punkter.

"Detta projekt lanserar konstruktionen av ett kommunikationsnätverk baserat på materiens kvanttillstånd, erbjuder ett fundamentalt nytt sätt att skapa och säkert skicka information, sa David Awschalom, en Argonne-forskare och Liew familjeprofessor i molekylär teknik vid University of Chicago, som är huvudutredare för projektet. "Vi kommer att bygga en nationell testbädd för att utveckla vetenskapen för att konstruera kvantsystem och utforska egenskaperna hos kvantintrassling, ett fenomen som fascinerar både forskare och allmänheten."

Som ett resultat av ett växande fokus på kvantforskning bland forskare vid Argonne, Fermilab och UChicago, de tre institutionerna har bildat ett partnerskap, Chicago Quantum Exchange, involverar 70 vetenskapsmän och ingenjörer och samlar de intellektuella talangerna, forskningskapacitet och ingenjörskraft hos de tre anslutna institutionerna.

"Det här är första gången någon ens har planerat att genomföra ett sånt här kvantnätverk:en permanent, fungerande kvantteleporteringsnätverk på långa avstånd i USA, ", sa Fermilabs biträdande direktör och forskningschef Joe Lykken. "Vi vill demonstrera den möjliggörande kvantteknologin. Och vi vill dra nytta av vår expertis för att bana väg för andra att skapa sina egna nätverk. Årtionden sedan, att bygga något sådant här hade bara varit en dröm. Men vi gör det nu, och snart kommer andra att kunna."

"Kvantumets konstiga lagar"

Det nya kommunikationsnätverket utnyttjar kvantmekanikens konstiga lagar, som styr växelverkan mellan de minsta partiklarna.

En del av intresset för utvecklingen av kvantsystem härrör från en regel inom kvantmekaniken som säger att mätning av en kvantpartikel förändrar dess tillstånd. Forskare tror att ett kvantsystem kan vara praktiskt taget okackbart eftersom, om någon försöker titta på en sändning, det skulle störas, den förstörda informationen, och avsändarna larmade.

Kvantsystemen som utvecklas vid Fermilab och Argonne kommer så småningom att utnyttja en underjordisk länk som byggdes först på 1980-talet för att testa dataöverföring. De optiska fiberkablarna är fortfarande ostörda och funktionella, sa forskare.

Sättet som kvantnätverket fungerar är genom att "trasssla in" partiklar, en annan egenhet av kvantmekanik som säger att du kan länka två (eller flera) partiklar så att de är i ett delat tillstånd - och vad som än händer med den ena påverkar den andra, även om de är mil ifrån varandra vid den tiden.

Så om forskare delar ett intrasslat par partiklar mellan två platser, kvantinformationen kan komma fram, även om platserna ligger långt ifrån varandra och de inte har en fysisk koppling mellan dem. Medan kvantinformationen har "teleporterats, " inget föremål transporteras.

Än så länge, system som dessa har testats i laboratorier och i liten skala. Även några kilometers avstånd har varit en utmaning, eftersom intrasslade partiklar inte får interagera på något sätt med sin omgivning, och forskare måste övervinna alla förluster av fotoner som emitteras av partiklarna och exakt koordinera tidpunkten för deras överföringar.

"Att utföra informationsteleportering över verkliga avstånd många mil från varandra gör att vi kan identifiera praktiska problem som är involverade i driften av ett kvantnätverk - vilka är de tekniska utmaningarna, hur säker är kommunikationen, och vilka är gränserna för att transportera information på detta sätt, " sa Awschalom.

"Kvanttestbäddar av liknande skala finns runt om i världen. Men de flesta av dem förlitar sig på intrasslade fotoner - ljuspartiklar - för att teleportera information. Vår testbädd är unik i det, för första gången, vi strävar mot en helt fast tillståndsarkitektur där fångade kvantpartiklar i fasta ämnen används som informationsbärare, sa Tian Zhong, biträdande professor i molekylär teknik vid University of Chicago och forskare vid Argonne, som är medansvarig utredare för projektet.

På Fermilab, Shang-Yi Ch'en professor i fysik vid Caltech Maria Spiropulu bygger för närvarande ett kvantnätverk på plats med partners AT&T och Jet Propulsion Laboratory. De påbörjade detta arbete 2017, och ett år senare, Spiropulu och hennes team har distribuerat nätverket inom Fermilab och arbetar med att utveckla förbättrade enheter för distribution av intrassling på långa avstånd. Deras mål är att så småningom utöka det nätverket till att utgöra en del av den större länken Fermilab-Argonne.

"Att nätverka kvantenheter är viktigt för att skala kvantberäkningar och bygga hybridkommunikationssystem mot ett kvantförbättrat internet, " sade Spiropulu. "Det kommer att krävas avsiktligt samarbete mellan de statliga forskningslaboratorierna, akademin, industri och stiftelser för att nå dit. Chicago Quantum Exchange-programmet kommer att katalysera framsteg inom alla dessa områden."

Den 8-9 november, forskare från Argonne, Fermilab och UChicago kommer att samlas med industrin, akademiska och regeringsledare inom området för Chicago Quantum Summit, ett program som utforskar framtiden för kvantberäkningar och informationsvetenskap.

Ett offentligt evenemang i staden Chicago med titeln "Quantum Engineering:the Next Technical Arms Race, " med ett samtal mellan Awschalom och Hartmut Neven, chef för Google Quantum Artificial Intelligence Lab, kommer att hållas som en del av toppmötet.

Arbetet med att utveckla Argonne-Fermilab kvantnätverket stöds av DOE Office of Science.