Οι καινοτομίες της κλίνης δοκιμών του QUANT-NET: επαναπροσδιορίζοντας το κβαντικό δίκτυο - Physics World

Το σημερινό Διαδίκτυο διανέμει κλασικά bits και bytes πληροφοριών σε παγκόσμιες, ακόμη και διαστρικές, αποστάσεις. Το κβαντικό διαδίκτυο του αύριο, από την άλλη πλευρά, θα επιτρέψει την απομακρυσμένη σύνδεση, χειρισμό και αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών – μέσω διανομής κβαντικής εμπλοκής με χρήση φωτονίων – σε φυσικά απομακρυσμένους κβαντικούς κόμβους εντός μητροπολιτικών, περιφερειακών και μακρινών οπτικών δικτύων. Οι ευκαιρίες είναι συναρπαστικές και εμφανίζονται ήδη για την επιστήμη, την εθνική ασφάλεια και την ευρύτερη οικονομία.

Αξιοποιώντας τις αρχές της κβαντικής μηχανικής – υπέρθεση, εμπλοκή και το θεώρημα «μη κλωνοποίησης», για παράδειγμα – τα κβαντικά δίκτυα θα επιτρέψουν κάθε είδους μοναδικές εφαρμογές που δεν είναι δυνατές με τις κλασικές τεχνολογίες δικτύωσης. Σκεφτείτε κβαντικά κρυπτογραφημένα σχήματα επικοινωνίας για την κυβέρνηση, τα οικονομικά, την υγειονομική περίθαλψη και τον στρατό. υπερυψηλής ανάλυσης κβαντική ανίχνευση και μετρολογία για επιστημονική έρευνα και ιατρική. και, τελικά, την εφαρμογή σε κλίμακα, βασισμένων σε σύννεφο κβαντικών υπολογιστικών πόρων που συνδέονται με ασφάλεια σε παγκόσμια δίκτυα.

Αυτήν τη στιγμή, ωστόσο, τα κβαντικά δίκτυα βρίσκονται ακόμη στα σπάργανα, με την ερευνητική κοινότητα, τη μεγάλη τεχνολογία (εταιρείες όπως η IBM, η Amazon, η Google και η Microsoft) και ένα κύμα νεοφυών επιχειρήσεων που χρηματοδοτούνται από venture να ακολουθούν διαφορετικές οδούς Ε&Α προς την πρακτική λειτουργικότητα και εκτέλεση. Μια μελέτη περίπτωσης από αυτή την άποψη είναι το QUANT-NET, μια πενταετής πρωτοβουλία Ε&Α 12.5 εκατομμυρίων δολαρίων που υποστηρίζεται από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), στο πλαίσιο του προγράμματος Advanced Scientific Computing Research, με στόχο τη δημιουργία ενός αποδεικτικού Δοκιμασμένο κύριο κβαντικό δίκτυο για κατανεμημένες εφαρμογές κβαντικού υπολογισμού.

Έξω από το εργαστήριο, στο δίκτυο

Συλλογικά, οι τέσσερις ερευνητικοί εταίροι της κοινοπραξίας QUANT-NET – Berkeley Lab (Berkeley, CA). University of California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); και το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ (Αυστρία) – επιδιώκουν να δημιουργήσουν ένα δίκτυο τριών κόμβων, κατανεμημένο κβαντικό υπολογιστικό δίκτυο μεταξύ δύο τοποθεσιών (Berkeley Lab και UC Berkeley). Με αυτόν τον τρόπο, καθένας από τους κβαντικούς κόμβους θα συνδεθεί μέσω ενός σχήματος επικοινωνίας κβαντικής εμπλοκής μέσω προεγκατεστημένης τηλεπικοινωνιακής ίνας, με όλη την υποδομή του testbed να διαχειρίζεται μια προσαρμοσμένη στοίβα λογισμικού.

«Υπάρχουν πολλές περίπλοκες προκλήσεις όταν πρόκειται για την κλιμάκωση του αριθμού των qubits σε έναν μόνο κβαντικό υπολογιστή», λέει ο Indermohan (Inder) Monga, κύριος ερευνητής QUANT-NET και διευθυντής του τμήματος επιστημονικής δικτύωσης στο Berkeley Lab και εκτελεστικός διευθυντής Ενέργειας. Sciences Network (ESnet), η εγκατάσταση χρηστών δικτύου υψηλής απόδοσης του DOE (βλ. «ESnet: δικτύωση επιστήμης μεγάλης κλίμακας»). «Αλλά εάν ένας μεγαλύτερος υπολογιστής μπορεί να κατασκευαστεί από ένα δίκτυο πολλών μικρότερων υπολογιστών», προσθέτει, «θα μπορούσαμε ίσως να επιταχύνουμε την κλιμάκωση της ικανότητας κβαντικών υπολογιστών – περισσότερα qubit που λειτουργούν παράλληλα – κατανέμοντας την κβαντική εμπλοκή σε μια ίνα. οπτική υποδομή; Αυτή είναι η θεμελιώδης ερώτηση που προσπαθούμε να απαντήσουμε στο QUANT-NET."

Ένα άλλο κίνητρο για τον Monga και τους συνεργάτες του είναι να πάρουν τις κβαντικές τεχνολογίες επικοινωνίας «εκτός εργαστηρίου» σε συστήματα δικτύωσης πραγματικού κόσμου που εκμεταλλεύονται τηλεπικοινωνιακές ίνες που έχουν ήδη αναπτυχθεί στο έδαφος. «Τα τρέχοντα συστήματα κβαντικής δικτύωσης εξακολουθούν να είναι ουσιαστικά πειράματα φυσικής μεγέθους δωματίου ή επιτραπέζιου, τα οποία ρυθμίζονται και διαχειρίζονται τελειοποιημένοι φοιτητές», λέει ο Monga.

Ως εκ τούτου, ένα από τα κύρια καθήκοντα της ομάδας QUANT-NET είναι να επιδείξει τεχνολογίες που μπορούν να αναπτυχθούν στο πεδίο, οι οποίες, με την πάροδο του χρόνου, θα μπορούν να λειτουργούν 24/7 χωρίς παρέμβαση χειριστή. «Αυτό που θέλουμε να κάνουμε είναι να δημιουργήσουμε τη στοίβα λογισμικού για να ενορχηστρώσει και να διαχειριστεί όλες τις τεχνολογίες φυσικού επιπέδου», προσθέτει η Monga. «Ή τουλάχιστον αποκτήστε κάποια ιδέα για το πώς θα μοιάζει αυτή η στοίβα λογισμικού στο μέλλον, ώστε να αυτοματοποιηθεί η παραγωγή, η διανομή και η αποθήκευση εμπλοκής υψηλής ταχύτητας και πιστότητας με αποτελεσματικό, αξιόπιστο, επεκτάσιμο και οικονομικά αποδοτικό τρόπο».

Ενεργοποίηση κβαντικών τεχνολογιών

Εάν το τελικό παιχνίδι QUANT-NET πρόκειται να δοκιμάσει τις υποψήφιες τεχνολογίες υλικού και λογισμικού για το κβαντικό Διαδίκτυο, είναι διδακτικό από τη σκοπιά της φυσικής να αποσυσκευάσετε τα βασικά κβαντικά δομικά στοιχεία που συνθέτουν τους κόμβους δικτύου της δοκιμαστικής κλίνης – συγκεκριμένα, παγιδευμένο ιόν επεξεργαστές κβαντικών υπολογιστών. Κβαντικά συστήματα μετατροπής συχνότητας. και πηγές πυριτίου ενός φωτονίου με βάση το κέντρο χρώματος.

Όσον αφορά την υποδομή δικτύωσης, έχει ήδη σημειωθεί σημαντική πρόοδος στον σχεδιασμό και την υλοποίηση του testbed. Η υποδομή της δοκιμαστικής κλίνης QUANT-NET είναι πλήρης, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής ινών (έκταση 5 χιλιομέτρων) μεταξύ των κβαντικών κόμβων συν την τοποθέτηση ενός αποκλειστικού κόμβου κβαντικής δικτύωσης στο Berkeley Lab. Υπάρχουν επίσης αρχικά σχέδια για την αρχιτεκτονική κβαντικού δικτύου και τη στοίβα λογισμικού.

Το μηχανοστάσιο του έργου QUANT-NET είναι ο κβαντικός υπολογιστικός επεξεργαστής παγιδευμένων ιόντων, ο οποίος βασίζεται στην ενσωμάτωση μιας οπτικής κοιλότητας υψηλής λεπτότητας με μια νέα παγίδα για Ca που βασίζεται σε τσιπ⁺ qubit ιόντων. Αυτά τα qubits παγιδευμένων ιόντων θα συνδεθούν μέσω ενός αποκλειστικού κβαντικού καναλιού σε όλη την επιφάνεια δοκιμών του δικτύου – με τη σειρά τους, δημιουργώντας εμπλοκή μεγάλων αποστάσεων μεταξύ κατανεμημένων κβαντικών κόμβων υπολογιστών.

"Η επίδειξη εμπλοκής είναι το κλειδί, καθώς παρέχει μια σύνδεση μεταξύ των απομακρυσμένων κβαντικών καταχωρητών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τηλεμεταφορά κβαντικών πληροφοριών μεταξύ διαφορετικών επεξεργαστών ή για την εκτέλεση λογικής υπό όρους μεταξύ τους", λέει ο Hartmut Häffner, ο οποίος είναι κύριος ερευνητής στο έργο QUANT-NET. με τον Monga, και του οποίου το εργαστήριο φυσικής στην πανεπιστημιούπολη του UC Berkeley είναι ο άλλος κόμβος στο δοκιμαστικό κρεβάτι. Εξίσου σημαντικό, η υπολογιστική ισχύς ενός κατανεμημένου κβαντικού υπολογιστή κλιμακώνεται σημαντικά με τον αριθμό των qubits που μπορούν να διασυνδεθούν σε αυτόν.

Ωστόσο, η εμπλοκή δύο απομακρυσμένων παγίδων ιόντων σε όλο το δίκτυο δεν είναι καθόλου απλή. Πρώτον, το σπιν κάθε ιόντος πρέπει να μπλέκεται με την πόλωση ενός εκπεμπόμενου φωτονίου από την αντίστοιχη παγίδα του (βλ. «Μηχανική και εκμετάλλευση εμπλοκής στην κλίνη δοκιμής QUANT-NET»). Η υψηλού ρυθμού, υψηλής πιστότητας εμπλοκή ιόντων-φωτονίου σε κάθε περίπτωση βασίζεται σε μεμονωμένα, κοντά στο υπέρυθρο φωτόνια που εκπέμπονται σε μήκος κύματος 854 nm. Αυτά τα φωτόνια μετατρέπονται στη ζώνη C των τηλεπικοινωνιών 1550 nm για να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες οπτικών ινών που επηρεάζουν την επακόλουθη μετάδοση φωτονίων μεταξύ των κβαντικών κόμβων UC Berkeley και Berkeley Lab. Συνολικά, τα παγιδευμένα ιόντα και τα φωτόνια αντιπροσωπεύουν ένα win-win, με το πρώτο να παρέχει τα στατικά qubits υπολογιστών. Τα τελευταία χρησιμεύουν ως «ιπτάμενα qubits επικοινωνίας» για τη σύνδεση των κατανεμημένων κβαντικών κόμβων.

Σε πιο αναλυτικό επίπεδο, η μονάδα κβαντικής μετατροπής συχνότητας εκμεταλλεύεται καθιερωμένες ολοκληρωμένες φωτονικές τεχνολογίες και τη λεγόμενη «διαδικασία συχνότητας διαφοράς». Με αυτόν τον τρόπο, ένα φωτόνιο εισόδου 854 nm (που εκπέμπεται από ένα Ca⁺ ιόν) αναμιγνύεται συνεκτικά με ένα ισχυρό πεδίο αντλίας στα 1900 nm σε ένα μη γραμμικό μέσο, ​​δίνοντας ένα τηλεπικοινωνιακό φωτόνιο εξόδου στα 1550 nm. «Κυρίως, αυτή η τεχνική διατηρεί τις κβαντικές καταστάσεις των φωτονίων εισόδου, ενώ παρέχει υψηλή απόδοση μετατροπής και λειτουργία χαμηλού θορύβου για τα προγραμματισμένα πειράματά μας», λέει ο Häffner.

Με τη δημιουργία εμπλοκής μεταξύ δύο κόμβων, η ομάδα QUANT-NET μπορεί στη συνέχεια να επιδείξει το θεμελιώδες δομικό στοιχείο του κατανεμημένου κβαντικού υπολογισμού, στον οποίο οι κβαντικές πληροφορίες σε έναν κόμβο ελέγχουν τη λογική στον άλλο. Συγκεκριμένα, η εμπλοκή και η κλασική επικοινωνία χρησιμοποιούνται για την τηλεμεταφορά κβαντικών πληροφοριών από τον κόμβο ελέγχου στον κόμβο-στόχο, όπου η διαδικασία – όπως μια μη τοπική, ελεγχόμενη ΟΧΙ κβαντική λογική πύλη – μπορεί στη συνέχεια να εκτελεστεί μόνο με τοπικές λειτουργίες.

Τέλος, ένα παράλληλο πακέτο εργασίας βρίσκεται σε εξέλιξη για τη διερεύνηση του αντίκτυπου της «ετερογένειας» εντός του κβαντικού δικτύου – αναγνωρίζοντας ότι πολλαπλές κβαντικές τεχνολογίες είναι πιθανό να αναπτυχθούν (και επομένως να διασυνδέονται μεταξύ τους) στα στάδια διαμόρφωσης του κβαντικού διαδικτύου. Από αυτή την άποψη, συσκευές στερεάς κατάστασης που βασίζονται σε χρωματικά κέντρα πυριτίου (ελαττώματα πλέγματος που δημιουργούν οπτική εκπομπή σε μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών γύρω στα 1300 nm) επωφελούνται από την εγγενή επεκτασιμότητα των τεχνικών νανοκατασκευής πυριτίου, ενώ εκπέμπουν μεμονωμένα φωτόνια με υψηλό επίπεδο ικανότητας διάκρισης ) που απαιτείται για την κβαντική εμπλοκή.

«Ως πρώτο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση», προσθέτει ο Häffner, «σκοπεύουμε να επιδείξουμε την τηλεμεταφορά κβαντικής κατάστασης από ένα μόνο φωτόνιο που εκπέμπεται από ένα χρωματικό κέντρο πυριτίου σε ένα Ca⁺ qubit μετριάζοντας το ζήτημα της φασματικής αναντιστοιχίας μεταξύ αυτών των δύο κβαντικών συστημάτων».

Ο οδικός χάρτης QUANT-NET

Καθώς το QUANT-NET πλησιάζει στο μέσο της διαδρομής του, ο στόχος για τους Monga, Häffner και τους συναδέλφους είναι να χαρακτηρίσουν ανεξάρτητα την απόδοση των διακριτών εξαρτημάτων δοκιμαστικής κλίνης, πριν από την ενσωμάτωση και τον συντονισμό αυτών των στοιχείων σε μια επιχειρησιακή ερευνητική δοκιμαστική κλίνη. «Λαμβάνοντας υπόψη τις αρχές του συστήματος δικτύου, η εστίασή μας θα είναι επίσης στην αυτοματοποίηση των διαφόρων στοιχείων μιας δοκιμαστικής κλίνης κβαντικού δικτύου που συνήθως μπορεί να συντονιστεί ή να βαθμονομηθεί χειροκίνητα σε ένα εργαστηριακό περιβάλλον», λέει ο Monga.

Η ευθυγράμμιση των προτεραιοτήτων Ε&Α του QUANT-NET με άλλες πρωτοβουλίες κβαντικής δικτύωσης σε όλο τον κόσμο είναι επίσης ζωτικής σημασίας – αν και οι διαφορετικές, και ίσως ασυμβίβαστες, προσεγγίσεις θα είναι πιθανώς ο κανόνας δεδομένης της διερευνητικής φύσης αυτής της συλλογικής ερευνητικής προσπάθειας. «Χρειαζόμαστε πολλά λουλούδια για να ανθίσουν προς το παρόν», σημειώνει η Monga, «έτσι ώστε να μπορέσουμε να γνωρίσουμε τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες κβαντικής επικοινωνίας και το σχετικό λογισμικό ελέγχου δικτύου και αρχιτεκτονικές».

Μακροπρόθεσμα, η Monga θέλει να εξασφαλίσει πρόσθετη χρηματοδότηση από το DOE, έτσι ώστε η κλίνη δοκιμής QUANT-NET να μπορεί να κλιμακωθεί όσον αφορά την εμβέλεια και την πολυπλοκότητα. «Ελπίζουμε ότι η προσέγγισή μας στο πεδίο δοκιμής θα επιτρέψει την ευκολότερη ενσωμάτωση των πολλά υποσχόμενων κβαντικών τεχνολογιών από άλλες ερευνητικές ομάδες και τη βιομηχανία», καταλήγει. «Αυτό με τη σειρά του θα προσφέρει έναν γρήγορο κύκλο πρωτοτύπων-δοκιμών-ενσωμάτωσης για την υποστήριξη της καινοτομίας…και θα συμβάλει στην ταχεία κατανόηση του τρόπου δημιουργίας ενός κλιμακούμενου κβαντικού Διαδικτύου που συνυπάρχει με το κλασικό Διαδίκτυο».

Περαιτέρω ανάγνωση

Inder Monga et αϊ. 2023 QUANT-NET: Μια βάση δοκιμών για έρευνα κβαντικής δικτύωσης πάνω από αναπτυγμένες ίνες. QuNet '23, pp 31-37 (10 Σεπτεμβρίου–142023; Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη, ΗΠΑ)

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/