QUANT-NETs testbed-innovationer: nyopfattelse af kvantenetværket – Physics World

Nutidens internet distribuerer klassiske bits og bytes af information over globale, endda interstellare, afstande. Morgendagens kvanteinternet vil på den anden side muliggøre fjernforbindelse, manipulation og lagring af kvanteinformation – gennem distribution af kvanteforviklinger ved hjælp af fotoner – på tværs af fysisk fjerne kvanteknuder inden for storby-, regionale og langdistanceoptiske netværk. Mulighederne er overbevisende og kommer allerede til syne for videnskab, national sikkerhed og den bredere økonomi.

Ved at udnytte kvantemekanikkens principper - f.eks. superposition, sammenfiltring og "ingen-kloning"-sætningen - vil kvantenetværk muliggøre alle mulige unikke applikationer, som ikke er mulige med klassiske netværksteknologier. Tænk kvantekrypterede kommunikationsordninger til regering, finans, sundhedsvæsen og militæret; ultrahøj opløsning kvantemåling og metrologi til videnskabelig forskning og medicin; og i sidste ende implementeringen af ​​skybaserede kvantecomputerressourcer i stor skala, der er forbundet sikkert på tværs af globale netværk.

Lige nu er kvantenetværk dog stadig i deres vorden, med forskningssamfundet, store teknologiske virksomheder (virksomheder som IBM, Amazon, Google og Microsoft) og en bølge af venturefinansierede start-ups, der alle forfølger forskellige F&U-veje hen imod praktisk funktionalitet og implementering. Et casestudie i denne henseende er QUANT-NET, et femårigt F&U-initiativ på 12.5 mio. USD, der støttes af det amerikanske energiministerium (DOE) under Advanced Scientific Computing Research-programmet med det formål at konstruere et bevis for- princippet kvantenetværk testet for distribuerede kvantedatabehandlingsapplikationer.

Ud af laboratoriet, ind i netværket

Tilsammen de fire forskningspartnere i QUANT-NET-konsortiet – Berkeley Lab (Berkeley, CA); University of California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); og University of Innsbruck (Østrig) – søger at etablere et tre-knude, distribueret kvantecomputernetværk mellem to steder (Berkeley Lab og UC Berkeley). På denne måde vil hver af kvanteknudepunkterne blive forbundet via et kvantesammenfiltringskommunikationssystem over forudinstalleret telekommunikationsfiber, med al testbed-infrastrukturen styret af en specialbygget softwarestack.

"Der er mange komplekse udfordringer, når det kommer til at opskalere antallet af qubits på en enkelt kvantecomputer," siger Indermohan (Inder) Monga, QUANT-NET hovedefterforsker og direktør for den videnskabelige netværksafdeling hos Berkeley Lab og administrerende direktør for Energy Sciences Network (ESnet), DOE's højtydende netværksbrugerfacilitet (se "ESnet: netværk i stor skala videnskab"). "Men hvis en større computer kan bygges ud fra et netværk af flere mindre computere," tilføjer han, "kunne vi måske fremskynde skaleringen af ​​kvanteberegningskapaciteten - flere qubits arbejder i bund og grund sammen - ved at distribuere kvantesammenfiltring over en fiber- optisk infrastruktur? Det er det grundlæggende spørgsmål, vi forsøger at besvare i QUANT-NET."

En anden motivation for Monga og kolleger er at tage kvantekommunikationsteknologier "ud af laboratoriet" ind i virkelige netværkssystemer, der udnytter telekommunikationsfibre, der allerede er installeret i jorden. "Nuværende kvantenetværkssystemer er stadig i det væsentlige fysiske eksperimenter i rumstørrelse eller bordplader, finjusteret og styret af kandidatstuderende," siger Monga.

Som sådan er en af ​​hovedopgaverne for QUANT-NET-teamet at demonstrere felt-deployerbare teknologier, der over tid vil være i stand til at fungere 24/7 uden operatørindblanding. "Det, vi ønsker at gøre, er at bygge softwarestakken til at orkestrere og administrere alle de fysiske lag-teknologier," tilføjer Monga. "Eller i det mindste få en ide om, hvordan den softwarestack skal se ud i fremtiden for at automatisere højhastigheds- og højfidelitetssammenfiltringsgenerering, -distribution og -lagring på en effektiv, pålidelig, skalerbar og omkostningseffektiv måde."

Aktivering af kvanteteknologier

Hvis QUANT-NET-slutspillet skal road-teste kandidat-hardware- og softwareteknologierne til kvanteinternettet, er det lærerigt set fra et fysikperspektiv at udpakke de centrale kvantebyggeklodser, der udgør testbedets netværksknuder – nemlig fanget-ion kvantecomputere; kvantefrekvenskonverteringssystemer; og farve-center-baserede, enkelt-foton silicium kilder.

Med hensyn til netværksinfrastrukturen er der allerede sket betydelige fremskridt med testbed design og implementering. QUANT-NET testbed-infrastrukturen er komplet, inklusive fiberkonstruktion (5 km i udstrækning) mellem kvanteknudepunkterne plus indretningen af ​​en dedikeret kvantenetværkshub på Berkeley Lab. Indledende designs til kvantenetværksarkitekturen og softwarestakken er også på plads.

Maskinrummet i QUANT-NET-projektet er fangede-ion-kvantecomputerprocessoren, som er afhængig af integrationen af ​​en højfinesse optisk kavitet med en ny chip-baseret fælde til Ca.⁺ ion-qubits. Disse fangede-ion-qubits vil forbindes via en dedikeret kvantekanal på tværs af netværkets testbed - igen, hvilket skaber langdistancesammenfiltring mellem distribuerede kvantecomputerknudepunkter.

"At demonstrere sammenfiltring er nøglen, da det giver et link mellem de fjerntliggende kvanteregistre, der kan bruges til at teleportere kvanteinformation mellem forskellige processorer eller til at udføre betinget logik mellem dem," siger Hartmut Häffner, der er hovedefterforsker på QUANT-NET-projektet med Monga, og hvis fysiklaboratorium på UC Berkeley campus er den anden knude i testbedet. Lige så vigtigt er det, at regnekraften af ​​en distribueret kvantecomputer skaleres betydeligt med antallet af qubits, der kan forbindes deri.

At vikle to fjerntliggende ionfælder ind over netværket er dog langt fra ligetil. For det første skal hver ions spin vikles ind i polariseringen af ​​en udsendt foton fra dens respektive fælde (se "Enginering og udnyttelse af sammenfiltring i QUANT-NET testbed"). Den højhastigheds-, high-fidelity ion-foton-sammenfiltring er i hvert tilfælde afhængig af enkelte, nær-infrarøde fotoner, der udsendes ved en bølgelængde på 854 nm. Disse fotoner konverteres til 1550 nm telekommunikations C-båndet for at minimere fiberoptiske tab, der påvirker efterfølgende fotontransmission mellem UC Berkeley og Berkeley Lab kvanteknudepunkter. Tilsammen repræsenterer fangede ioner og fotoner en win-win, hvor førstnævnte leverer de stationære computer-qubits; sidstnævnte tjener som "flyvende kommunikations-qubits" for at forbinde de distribuerede kvanteknuder.

På et mere granulært niveau udnytter kvantefrekvenskonverteringsmodulet etablerede integrerede fotoniske teknologier og den såkaldte "forskelfrekvensproces". På denne måde vil en input 854 nm foton (udsendt fra en Ca⁺ ion) blandes kohærent med et stærkt pumpefelt ved 1900 nm i et ikke-lineært medium, hvilket giver en output telekommunikationsfoton ved 1550 nm. "Det er afgørende, at denne teknik bevarer kvantetilstandene af inputfotonerne, samtidig med at den giver høj konverteringseffektivitet og lav støjdrift til vores planlagte eksperimenter," siger Häffner.

Med sammenfiltring etableret mellem to noder, kan QUANT-NET-teamet derefter demonstrere den grundlæggende byggesten i distribueret kvanteberegning, hvor kvanteinformationen i den ene node styrer logikken i den anden. Især entanglement og klassisk kommunikation bruges til at teleportere kvanteinformation fra den kontrollerende node ind i målknuden, hvor processen – såsom en ikke-lokal, styret IKKE kvantelogisk gate – så kun kan udføres med lokale operationer.

Endelig er en parallel arbejdspakke undervejs for at udforske virkningen af ​​"heterogenitet" inden for kvantenetværket - der anerkender, at flere kvanteteknologier sandsynligvis vil blive implementeret (og derfor forbindes med hinanden) i de formative stadier af kvanteinternettet. I denne henseende drager solid state-enheder, der er afhængige af siliciumfarvecentre (gitterdefekter, der genererer optisk emission ved telekommunikationsbølgelængder omkring 1300 nm) fordel af den iboende skalerbarhed af siliciumnanofremstillingsteknikker, mens de udsender enkeltfotoner med et højt niveau af uforskellighed ) påkrævet til kvantesammenfiltring.

"Som et første skridt i denne retning," tilføjer Häffner, "planlægger vi at demonstrere kvantetilstand teleportation fra en enkelt foton udsendt fra et siliciumfarvecenter til et Ca.⁺ qubit ved at afhjælpe problemet med spektral mismatch mellem disse to kvantesystemer."

QUANT-NET køreplanen

Da QUANT-NET nærmer sig sit midtvejspunkt, er målet for Monga, Häffner og kolleger at karakterisere ydeevnen af ​​diskrete testbed-komponenter uafhængigt, før integration og tuning af disse elementer til et operationelt forskningstestbed. "Med netværkssystemprincipper i tankerne vil vores fokus også være på at automatisere de forskellige elementer i et kvantenetværks testbed, der typisk kan være manuelt tunet eller kalibreret i et laboratoriemiljø," siger Monga.

At tilpasse QUANT-NET R&D-prioriteter med andre kvantenetværksinitiativer rundt om i verden er også afgørende - selvom forskellige og måske uforenelige tilgange sandsynligvis vil være normen i betragtning af den udforskende karakter af denne kollektive forskningsindsats. "Vi har brug for mange blomster til at blomstre for nu," bemærker Monga, "så vi kan finde de mest lovende kvantekommunikationsteknologier og den tilhørende netværkskontrolsoftware og -arkitekturer."

På længere sigt ønsker Monga at sikre yderligere DOE-finansiering, således at QUANT-NET testbed kan skaleres med hensyn til rækkevidde og kompleksitet. "Vi håber, at vores testbed-tilgang vil muliggøre lettere integration af lovende kvanteteknologier fra andre forskerhold og industri," afslutter han. "Dette vil igen give en hurtig prototype-test-integreringscyklus for at understøtte innovation ... og vil bidrage til en accelereret forståelse af, hvordan man bygger et skalerbart kvanteinternet, der eksisterer side om side med det klassiske internet."

Yderligere læsning

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: Et testbed for kvantenetværksforskning over installeret fiber. QuNet '23, pp 31-37 (10. september-142023; New York, NY, USA)

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/