Die Testbed-Innovationen von QUANT-NET: Das Quantennetzwerk neu denken – Physics World

Das heutige Internet verteilt klassische Informationsbits und -bytes über globale, sogar interstellare Entfernungen. Das Quanteninternet von morgen hingegen wird die Fernverbindung, Manipulation und Speicherung von Quanteninformationen – durch die Verteilung der Quantenverschränkung mithilfe von Photonen – über physisch entfernte Quantenknoten in städtischen, regionalen und optischen Fernnetzen ermöglichen. Die Chancen für die Wissenschaft, die nationale Sicherheit und die Wirtschaft insgesamt sind überzeugend und zeichnen sich bereits ab.

Durch die Nutzung der Prinzipien der Quantenmechanik – zum Beispiel Superposition, Verschränkung und das „No-Cloning“-Theorem – werden Quantennetzwerke alle möglichen einzigartigen Anwendungen ermöglichen, die mit klassischen Netzwerktechnologien nicht möglich sind. Denken Sie an quantenverschlüsselte Kommunikationssysteme für Regierung, Finanzen, Gesundheitswesen und Militär; ultrahochauflösende Quantensensorik und -messtechnik für wissenschaftliche Forschung und Medizin; und letztendlich die Implementierung maßstabsgetreuer, cloudbasierter Quantencomputing-Ressourcen, die sicher über globale Netzwerke verbunden sind.

Derzeit stecken Quantennetzwerke jedoch noch in den Kinderschuhen, da die Forschungsgemeinschaft, Big-Tech-Unternehmen (Unternehmen wie IBM, Amazon, Google und Microsoft) und eine Welle risikokapitalfinanzierter Start-ups alle unterschiedliche F&E-Pfade in Richtung praktischer Funktionalität verfolgen Implementierung. Eine Fallstudie in dieser Hinsicht ist QUANT-NET, eine fünfjährige F&E-Initiative im Wert von 12.5 Millionen US-Dollar, die vom US-Energieministerium (DOE) im Rahmen des Advanced Scientific Computing Research-Programms unterstützt wird, mit dem Ziel, einen Beweis für Prinzipielles Quantennetzwerk, getestet für verteilte Quantencomputeranwendungen.

Raus aus dem Labor, rein ins Netzwerk

Gemeinsam sind die vier Forschungspartner innerhalb des QUANT-NET-Konsortiums – Berkeley Lab (Berkeley, CA); University of California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); und die Universität Innsbruck (Österreich) – streben den Aufbau eines verteilten Quantencomputernetzwerks mit drei Knoten zwischen zwei Standorten (Berkeley Lab und UC Berkeley) an. Auf diese Weise wird jeder der Quantenknoten über ein Quantenverschränkungs-Kommunikationsschema über vorinstallierte Telekommunikationsfasern verbunden, wobei die gesamte Prüfstandsinfrastruktur von einem maßgeschneiderten Software-Stack verwaltet wird.

„Es gibt viele komplexe Herausforderungen, wenn es darum geht, die Anzahl der Qubits auf einem einzelnen Quantencomputer zu erhöhen“, sagt Indermohan (Inder) Monga, QUANT-NET-Hauptforscher und Direktor der Abteilung für wissenschaftliche Netzwerke am Berkeley Lab und Geschäftsführer von Energy Sciences Network (ESnet), die leistungsstarke Netzwerkbenutzereinrichtung des DOE (siehe „ESnet: Vernetzung groß angelegter Wissenschaft“). „Aber wenn ein größerer Computer aus einem Netzwerk mehrerer kleinerer Computer aufgebaut werden kann“, fügt er hinzu, „könnten wir vielleicht die Skalierung der Quantencomputerkapazität beschleunigen – im Wesentlichen arbeiten mehr Qubits im Tandem –, indem wir die Quantenverschränkung über eine Faser verteilen?“ optische Infrastruktur? Das ist die grundlegende Frage, die wir im Rahmen von QUANT-NET zu beantworten versuchen.“

Eine weitere Motivation für Monga und Kollegen besteht darin, Quantenkommunikationstechnologien „aus dem Labor“ in reale Netzwerksysteme zu übertragen, die bereits im Boden verlegte Telekommunikationsfasern nutzen. „Aktuelle Quantennetzwerksysteme sind immer noch im Wesentlichen raumgroße oder tischbasierte physikalische Experimente, die von Doktoranden fein abgestimmt und verwaltet werden“, sagt Monga.

Daher besteht eine der Hauptaufgaben des QUANT-NET-Teams darin, vor Ort einsetzbare Technologien zu demonstrieren, die im Laufe der Zeit rund um die Uhr ohne Bedienereingriff funktionieren können. „Wir wollen den Software-Stack aufbauen, um alle Technologien auf der physikalischen Ebene zu orchestrieren und zu verwalten“, fügt Monga hinzu. „Oder machen Sie sich zumindest eine Vorstellung davon, wie dieser Software-Stack in Zukunft aussehen sollte, um die Erzeugung, Verteilung und Speicherung von Hochgeschwindigkeits- und High-Fidelity-Verschränkungen auf effiziente, zuverlässige, skalierbare und kostengünstige Weise zu automatisieren.“

Quantentechnologien ermöglichen

Wenn das QUANT-NET-Endspiel darin besteht, die möglichen Hardware- und Softwaretechnologien für das Quanteninternet auf der Straße zu testen, ist es aus physikalischer Sicht aufschlussreich, die zentralen Quantenbausteine ​​zu entschlüsseln, aus denen die Netzwerkknoten des Testfelds bestehen – nämlich gefangene Ionen Quantencomputerprozessoren; Quantenfrequenzumwandlungssysteme; und farbzentrumsbasierte Einzelphotonen-Siliziumquellen.

Im Hinblick auf die Netzwerkinfrastruktur wurden bereits erhebliche Fortschritte bei der Konzeption und Implementierung des Prüfstands erzielt. Die QUANT-NET-Testumgebung ist vollständig, einschließlich des Glasfaserbaus (5 km lang) zwischen den Quantenknoten sowie der Ausstattung eines dedizierten Quantennetzwerk-Hubs im Berkeley Lab. Erste Entwürfe für die Quantennetzwerkarchitektur und den Software-Stack liegen ebenfalls vor.

Der Motor des QUANT-NET-Projekts ist der Quantencomputerprozessor für gefangene Ionen, der auf der Integration eines hochfeinen optischen Hohlraums mit einer neuartigen Chip-basierten Falle für Ca basiert⁺ Ionen-Qubits. Diese Qubits mit eingefangenen Ionen werden über einen dedizierten Quantenkanal über das Netzwerkprüffeld miteinander verbunden – was wiederum zu einer Verschränkung über große Entfernungen zwischen verteilten Quantencomputerknoten führt.

„Der Nachweis der Verschränkung ist von entscheidender Bedeutung, da sie eine Verbindung zwischen den entfernten Quantenregistern herstellt, die zum Teleportieren von Quanteninformationen zwischen verschiedenen Prozessoren oder zum Ausführen bedingter Logik zwischen ihnen verwendet werden kann“, sagt Hartmut Häffner, leitender Forscher am QUANT-NET-Projekt mit Monga, und dessen Physiklabor auf dem Campus der UC Berkeley der andere Knoten im Testfeld ist. Ebenso wichtig ist, dass die Rechenleistung eines verteilten Quantencomputers erheblich mit der Anzahl der Qubits skaliert, die darin miteinander verbunden werden können.

Es ist jedoch alles andere als einfach, zwei entfernte Ionenfallen über das Netzwerk zu verschränken. Zunächst muss der Spin jedes Ions mit der Polarisation eines emittierten Photons aus seiner jeweiligen Falle verschränkt werden (siehe „Verschränkung im QUANT-NET-Testfeld konstruieren und nutzen“). Die hochfrequente Ionen-Photonen-Verschränkung mit hoher Geschwindigkeit beruht jeweils auf einzelnen Photonen im nahen Infrarotbereich, die bei einer Wellenlänge von 854 nm emittiert werden. Diese Photonen werden in das 1550-nm-Telekommunikations-C-Band umgewandelt, um Glasfaserverluste zu minimieren, die sich auf die nachfolgende Photonenübertragung zwischen den Quantenknoten der UC Berkeley und des Berkeley Lab auswirken. Zusammengenommen stellen eingefangene Ionen und Photonen eine Win-Win-Situation dar, wobei erstere die stationären Rechen-Qubits liefern; Letztere dienen als „fliegende Kommunikations-Qubits“ zur Verbindung der verteilten Quantenknoten.

Auf einer granulareren Ebene nutzt das Quantenfrequenzumwandlungsmodul etablierte integrierte photonische Technologien und den sogenannten „Differenzfrequenzprozess“. Auf diese Weise wird ein eingegebenes 854-nm-Photon (emittiert von einem Ca⁺ Ion) wird kohärent mit einem starken Pumpfeld bei 1900 nm in einem nichtlinearen Medium gemischt, was ein Ausgangs-Telekommunikationsphoton bei 1550 nm ergibt. „Entscheidend ist, dass diese Technik die Quantenzustände der Eingangsphotonen bewahrt und gleichzeitig hohe Umwandlungseffizienzen und einen rauscharmen Betrieb für unsere geplanten Experimente bietet“, sagt Häffner.

Wenn die Verschränkung zwischen zwei Knoten hergestellt ist, kann das QUANT-NET-Team dann den grundlegenden Baustein des verteilten Quantencomputings demonstrieren, bei dem die Quanteninformationen in einem Knoten die Logik im anderen steuern. Insbesondere werden Verschränkung und klassische Kommunikation genutzt, um Quanteninformationen vom steuernden Knoten zum Zielknoten zu teleportieren, wo der Prozess – etwa ein nicht-lokales, kontrolliertes NOT-Quantenlogikgatter – dann nur mit lokalen Operationen ausgeführt werden kann.

Schließlich ist ein paralleles Arbeitspaket im Gange, um die Auswirkungen der „Heterogenität“ innerhalb des Quantennetzwerks zu untersuchen – wobei anerkannt wird, dass in den Entstehungsstadien des Quanteninternets wahrscheinlich mehrere Quantentechnologien eingesetzt (und daher miteinander verbunden) werden. In dieser Hinsicht profitieren Festkörpergeräte, die auf Silizium-Farbzentren (Gitterdefekten, die optische Emission bei Telekommunikationswellenlängen um 1300 nm erzeugen) basieren, von der inhärenten Skalierbarkeit von Silizium-Nanofabrikationstechniken und emittieren gleichzeitig einzelne Photonen mit einem hohen Maß an Ununterscheidbarkeit (Kohärenz). ), die für die Quantenverschränkung erforderlich ist.

„Als ersten Schritt in diese Richtung planen wir, die Quantenzustandsteleportation von einem einzelnen Photon, das von einem Silizium-Farbzentrum emittiert wird, zu einem Ca zu demonstrieren“, fügt Häffner hinzu⁺ Qubit, indem das Problem der spektralen Nichtübereinstimmung zwischen diesen beiden Quantensystemen gemildert wird.“

Die QUANT-NET-Roadmap

Während sich QUANT-NET seinem Halbzeitpunkt nähert, besteht das Ziel von Monga, Häffner und Kollegen darin, die Leistung diskreter Prüfstandskomponenten unabhängig voneinander zu charakterisieren, bevor diese Elemente in einen operativen Forschungsprüfstand integriert und abgestimmt werden. „Mit Blick auf Netzwerksystemprinzipien wird unser Fokus auch auf der Automatisierung der verschiedenen Elemente eines Quantennetzwerk-Testfelds liegen, die normalerweise in einer Laborumgebung manuell abgestimmt oder kalibriert werden“, sagt Monga.

Die Abstimmung der F&E-Prioritäten von QUANT-NET mit anderen Quantennetzwerkinitiativen auf der ganzen Welt ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung – auch wenn unterschiedliche und möglicherweise inkompatible Ansätze angesichts des explorativen Charakters dieses kollektiven Forschungsvorhabens wahrscheinlich die Norm sein werden. „Wir brauchen vorerst viele Blumen zum Blühen“, bemerkt Monga, „damit wir uns auf die vielversprechendsten Quantenkommunikationstechnologien und die damit verbundene Netzwerksteuerungssoftware und -architektur konzentrieren können.“

Längerfristig möchte Monga zusätzliche DOE-Mittel sichern, damit das QUANT-NET-Testbed hinsichtlich Reichweite und Komplexität skaliert werden kann. „Wir hoffen, dass unser Testbed-Ansatz eine einfachere Integration vielversprechender Quantentechnologien anderer Forschungsteams und der Industrie ermöglicht“, schließt er. „Dies wiederum wird einen schnellen Prototypen-Test-Integrations-Zyklus ermöglichen, um Innovationen zu unterstützen … und zu einem schnelleren Verständnis dafür beitragen, wie ein skalierbares Quanteninternet aufgebaut werden kann, das mit dem klassischen Internet koexistiert.“

Weiterführende Literatur

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: Ein Testfeld für die Quantennetzwerkforschung über eingesetzte Glasfasern. QuNet '23, pp 31 – 37 (10.–142023. September XNUMX; New York, NY, USA)

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/