ابتكارات اختبار QUANT-NET: إعادة تصور الشبكة الكمومية – عالم الفيزياء

تقوم شبكة الإنترنت اليوم بتوزيع البتات والبايتات الكلاسيكية من المعلومات عبر مسافات عالمية، وحتى بين النجوم. من ناحية أخرى، ستمكن شبكة الإنترنت الكمومية المستقبلية من الاتصال عن بعد ومعالجة وتخزين المعلومات الكمومية - من خلال توزيع التشابك الكمي باستخدام الفوتونات - عبر العقد الكمومية البعيدة ماديًا داخل الشبكات الضوئية الحضرية والإقليمية والطويلة المدى. إن الفرص مقنعة وقد ظهرت بالفعل أمام العلوم والأمن القومي والاقتصاد الأوسع.

ومن خلال استغلال مبادئ ميكانيكا الكم ــ التراكب والتشابك ونظرية "عدم الاستنساخ" على سبيل المثال ــ سوف تعمل الشبكات الكمومية على تمكين كل أنواع التطبيقات الفريدة التي لا يمكن تحقيقها بالاستعانة بتقنيات الشبكات الكلاسيكية. فكر في مخططات الاتصالات المشفرة الكمومية للحكومة والمالية والرعاية الصحية والجيش؛ الاستشعار الكمي والقياس فائق الدقة للبحث العلمي والطب؛ وفي نهاية المطاف، تنفيذ موارد الحوسبة الكمومية القائمة على السحابة على نطاق واسع والمرتبطة بشكل آمن عبر الشبكات العالمية.

ومع ذلك، في الوقت الحالي، لا تزال الشبكات الكمومية في مهدها، حيث يسعى مجتمع الأبحاث والتكنولوجيا الكبرى (شركات مثل IBM وAmazon وGoogle وMicrosoft) وموجة من الشركات الناشئة الممولة بالمشاريع إلى اتباع مسارات بحث وتطوير متنوعة نحو الوظائف العملية والتطور. تطبيق. دراسة حالة في هذا الصدد هي QUANT-NET، وهي مبادرة للبحث والتطوير بقيمة 12.5 مليون دولار مدتها خمس سنوات وتدعمها وزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، في إطار برنامج أبحاث الحوسبة العلمية المتقدمة، بهدف إنشاء دليل على - تم اختبار الشبكة الكمومية الأساسية لتطبيقات الحوسبة الكمومية الموزعة.

خارج المختبر، إلى الشبكة

بشكل جماعي، الشركاء البحثيون الأربعة ضمن اتحاد QUANT-NET - Berkeley Lab (بيركلي، كاليفورنيا)؛ جامعة كاليفورنيا بيركلي (جامعة كاليفورنيا في بيركلي، كاليفورنيا)؛ معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (باسادينا، كاليفورنيا)؛ وجامعة إنسبروك (النمسا) – تسعى إلى إنشاء شبكة حوسبة كمومية موزعة ثلاثية العقد بين موقعين (بيركلي لاب وجامعة كاليفورنيا في بيركلي). وبهذه الطريقة، سيتم ربط كل عقدة كمومية عبر نظام اتصالات التشابك الكمي عبر ألياف اتصالات مثبتة مسبقًا، مع إدارة جميع البنية التحتية للاختبار بواسطة مجموعة برامج مصممة خصيصًا.

يقول إندرموهان (إندر) مونجا، الباحث الرئيسي في QUANT-NET ومدير قسم الشبكات العلمية في مختبر بيركلي والمدير التنفيذي للطاقة: "هناك العديد من التحديات المعقدة عندما يتعلق الأمر بزيادة عدد الكيوبتات على جهاز كمبيوتر كمي واحد". شبكة العلوم (ESnet)، وهي مرفق مستخدم الشبكة عالي الأداء التابع لوزارة الطاقة (راجع "ESnet: علم الشبكات واسع النطاق"). ويضيف: «لكن إذا كان من الممكن بناء حاسوب أكبر من شبكة من عدة حواسيب أصغر حجمًا، فهل يمكننا ربما تسريع توسيع نطاق قدرة الحوسبة الكمومية - المزيد من الكيوبتات التي تعمل جنبًا إلى جنب بشكل أساسي - من خلال توزيع التشابك الكمي على ألياف ضوئية». البنية التحتية البصرية؟ هذا هو السؤال الأساسي الذي نحاول الإجابة عليه في QUANT-NET.

الدافع الآخر لموناجا وزملائه هو نقل تقنيات الاتصالات الكمومية "خارج المختبر" إلى أنظمة الشبكات في العالم الحقيقي التي تستغل ألياف الاتصالات المنتشرة بالفعل في الأرض. يقول مونجا: "لا تزال أنظمة الشبكات الكمومية الحالية عبارة عن تجارب فيزيائية بحجم غرفة أو على سطح الطاولة، ويتم ضبطها وإدارتها بواسطة طلاب الدراسات العليا".

على هذا النحو، تتمثل إحدى المهام الرئيسية لفريق QUANT-NET في إظهار التقنيات القابلة للنشر ميدانيًا والتي، بمرور الوقت، ستكون قادرة على العمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع دون تدخل المشغل. ويضيف مونجا: "ما نريد القيام به هو بناء حزمة البرامج لتنسيق وإدارة جميع تقنيات الطبقة المادية". "أو على الأقل احصل على فكرة عما يجب أن تبدو عليه مجموعة البرامج هذه في المستقبل من أجل أتمتة توليد التشابك عالي السرعة وعالي الدقة وتوزيعه وتخزينه بطريقة فعالة وموثوقة وقابلة للتطوير وفعالة من حيث التكلفة."

تمكين تقنيات الكم

إذا كانت اللعبة النهائية لـ QUANT-NET هي اختبار الطريق لتقنيات الأجهزة والبرامج المرشحة للإنترنت الكمومي، فمن المفيد من منظور فيزيائي تفكيك كتل البناء الكمومية الأساسية التي تشكل عقد شبكة الاختبار - أي الأيون المحاصر معالجات الحوسبة الكمومية؛ أنظمة تحويل التردد الكمي؛ ومصادر السيليكون أحادية الفوتون القائمة على اللون.

وفيما يتعلق بالبنية التحتية للشبكات، فقد تم بالفعل تحقيق تقدم كبير في تصميم وتنفيذ الاختبارات. اكتملت البنية التحتية لاختبار QUANT-NET، بما في ذلك إنشاء الألياف (بمدى 5 كيلومترات) بين العقد الكمومية بالإضافة إلى تركيب مركز مخصص للشبكات الكمومية في مختبر بيركلي. تم أيضًا وضع التصميمات الأولية لبنية الشبكة الكمومية ومجموعة البرامج.

غرفة المحرك في مشروع QUANT-NET هي معالج الحوسبة الكمومية الأيونية المحاصرة، والذي يعتمد على تكامل تجويف بصري عالي الدقة مع مصيدة جديدة قائمة على الرقاقة لـ Ca⁺ الكيوبتات الأيونية. سيتم توصيل هذه البتات الكمومية المحتبسة عبر قناة كمومية مخصصة عبر اختبار الشبكة - مما يؤدي بدوره إلى إنشاء تشابك طويل المدى بين عقد الحوسبة الكمومية الموزعة.

يقول هارتموت هافنر، وهو باحث رئيسي في مشروع QUANT-NET: "إن إثبات التشابك أمر أساسي لأنه يوفر رابطًا بين السجلات الكمومية البعيدة التي يمكن استخدامها لنقل المعلومات الكمومية بين المعالجات المختلفة أو لتنفيذ المنطق الشرطي فيما بينها". مع مونجا، ومختبر الفيزياء التابع له في حرم جامعة كاليفورنيا في بيركلي هو العقدة الأخرى في ساحة الاختبار. وبنفس القدر من الأهمية، فإن القوة الحاسوبية للحاسوب الكمي الموزع تتدرج بشكل كبير مع عدد الكيوبتات التي يمكن ربطها ببعضها البعض.

ومع ذلك، فإن تشابك مصائد أيونية بعيدة عبر الشبكة ليس بالأمر السهل على الإطلاق. أولًا، يجب أن يكون دوران كل أيون متشابكًا مع استقطاب الفوتون المنبعث من المصيدة الخاصة به (انظر: "هندسة واستغلال التشابك في اختبار QUANT-NET"). يعتمد تشابك الأيونات والفوتون عالي السرعة وعالي الدقة في كل حالة على فوتونات مفردة قريبة من الأشعة تحت الحمراء المنبعثة عند طول موجة يبلغ 854 نانومتر. يتم تحويل هذه الفوتونات إلى نطاق C للاتصالات بطول 1550 نانومتر لتقليل خسائر الألياف الضوئية التي تؤثر على انتقال الفوتون اللاحق بين العقد الكمومية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ومختبر بيركلي. تمثل الأيونات والفوتونات المحتجزة معًا فوزًا مربحًا للجانبين، حيث توفر الأولى الكيوبتات الحاسوبية الثابتة؛ يعمل الأخير بمثابة "كيوبتات اتصال طيران" لربط العقد الكمومية الموزعة.

وعلى مستوى أكثر تفصيلًا، تستفيد وحدة تحويل التردد الكمومي من التقنيات الضوئية المتكاملة الراسخة، وما يسمى بـ «عملية تردد الاختلاف». بهذه الطريقة، يتم إدخال فوتون بطول 854 نانومتر (منبعث من Ca⁺ ion) بشكل متماسك مع حقل مضخة قوي عند 1900 نانومتر في وسط غير خطي، مما ينتج عنه فوتون اتصالات مخرج عند 1550 نانومتر. يقول هافنر: "الأهم من ذلك، أن هذه التقنية تحافظ على الحالات الكمومية للفوتونات المدخلة مع توفير كفاءات تحويل عالية وتشغيل منخفض الضوضاء لتجاربنا المخطط لها".

مع إنشاء التشابك بين عقدتين، يمكن لفريق QUANT-NET بعد ذلك إظهار لبنة البناء الأساسية للحوسبة الكمومية الموزعة، حيث تتحكم المعلومات الكمومية في إحدى العقدتين في المنطق في العقدة الأخرى. على وجه الخصوص، يتم استخدام التشابك والاتصال الكلاسيكي لنقل المعلومات الكمومية من العقدة المتحكمة إلى العقدة المستهدفة، حيث يمكن بعد ذلك تنفيذ العملية - مثل البوابة المنطقية غير الكمومية غير المحلية والمتحكم فيها - من خلال العمليات المحلية فقط.

وأخيرا، هناك حزمة عمل موازية جارية لاستكشاف تأثير "التغاير" داخل الشبكة الكمومية ــ مع الاعتراف بأن تكنولوجيات كمومية متعددة من المرجح أن يتم نشرها (وبالتالي ربطها مع بعضها البعض) في المراحل التكوينية للإنترنت الكمومي. في هذا الصدد، تستفيد أجهزة الحالة الصلبة التي تعتمد على مراكز ألوان السيليكون (عيوب الشبكة التي تولد انبعاثًا بصريًا عند أطوال موجية للاتصالات تبلغ حوالي 1300 نانومتر) من قابلية التوسع المتأصلة في تقنيات تصنيع السيليكون النانوي، في حين تنبعث فوتونات مفردة بمستوى عالٍ من عدم القدرة على التمييز (التماسك). ) المطلوبة للتشابك الكمي.

ويضيف هافنر: "كخطوة أولى في هذا الاتجاه، نخطط لإثبات النقل الآني للحالة الكمومية من فوتون واحد منبعث من مركز لون السيليكون إلى Ca".⁺ "الكيوبت من خلال التخفيف من مشكلة عدم التطابق الطيفي بين هذين النظامين الكميين."

خارطة طريق QUANT-NET

مع اقتراب QUANT-NET من منتصف الطريق، فإن هدف Monga وHäffner وزملائهم هو وصف أداء مكونات اختبار منفصلة بشكل مستقل، قبل دمج هذه العناصر وضبطها في اختبار بحثي تشغيلي. يقول مونجا: "مع أخذ مبادئ نظام الشبكة في الاعتبار، سينصب تركيزنا أيضًا على أتمتة العناصر المختلفة لاختبار الشبكة الكمومية التي عادةً ما يمكن ضبطها أو معايرتها يدويًا في بيئة معملية".

تعد مواءمة أولويات البحث والتطوير في QUANT-NET مع مبادرات الشبكات الكمومية الأخرى حول العالم أمرًا بالغ الأهمية أيضًا - على الرغم من أن الأساليب المختلفة، وربما غير المتوافقة، ربما تكون هي القاعدة نظرًا للطبيعة الاستكشافية لهذا المسعى البحثي الجماعي. يقول مونجا: "نحن بحاجة إلى العديد من الزهور لتزدهر في الوقت الحالي، حتى نتمكن من الوصول إلى تقنيات الاتصالات الكمومية الواعدة وبرامج وبنيات التحكم في الشبكة المرتبطة بها".

على المدى الطويل، يريد مونجا تأمين تمويل إضافي من وزارة الطاقة، بحيث يمكن لمنصة اختبار QUANT-NET التوسع من حيث مدى الوصول والتعقيد. ويختتم قائلاً: "نأمل أن يتيح نهجنا التجريبي تكاملًا أسهل للتقنيات الكمومية الواعدة من فرق البحث والصناعة الأخرى". "وهذا بدوره سيوفر نموذجًا أوليًا سريعًا - اختبارًا - دورة تكاملية لدعم الابتكار ... وسيساهم في فهم سريع لكيفية بناء إنترنت كمي قابل للتطوير يتعايش مع الإنترنت الكلاسيكي."

لمزيد من القراءة

إندر مونجا وآخرون. 2023 QUANT-NET: اختبار لأبحاث الشبكات الكمومية عبر الألياف المنتشرة. كوينت 23, pp 31 – 37 (10-142023 سبتمبر XNUMX؛ نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة)

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/