QUANT-NETi katsealuse uuendused: kvantvõrgu ümberkujundamine – füüsikamaailm

Tänapäeva Internet jagab klassikalisi teabebitte ja baite globaalsetel, isegi tähtedevahelistel vahemaadel. Homne kvantinternet seevastu võimaldab kaugühendust, kvantteabe manipuleerimist ja salvestamist – kvantpõimumise jaotamise kaudu footonite abil – üle füüsiliselt kaugemate kvantsõlmede suurlinnade, piirkondlike ja kaugliinide optilistes võrkudes. Võimalused on nii teaduse, riikliku julgeoleku kui ka majanduse jaoks laiemalt mõjuvad ja juba paistmas.

Kasutades ära kvantmehaanika põhimõtteid – näiteks superpositsiooni, põimumise ja „ei kloonimise” teoreemi – võimaldavad kvantvõrgud igasuguseid unikaalseid rakendusi, mida klassikaliste võrgutehnoloogiatega pole võimalik teha. Mõelge kvantkrüpteeritud sideskeemidele valitsusele, rahandusele, tervishoiule ja sõjaväele; ülikõrge eraldusvõimega kvantandmed ja metroloogia teadusuuringute ja meditsiini jaoks; ja lõpuks ülemaailmsetes võrkudes turvaliselt ühendatud pilvepõhiste kvantarvutusressursside rakendamine.

Praegu on kvantvõrgud aga alles lapsekingades, kuna teadlaskond, suured tehnoloogiad (ettevõtted nagu IBM, Amazon, Google ja Microsoft) ning riskikapitalist rahastatud idufirmade laine, mis kõik otsivad erinevaid teadus- ja arendusteid praktilise funktsionaalsuse ja rakendamine. Sellega seoses on juhtumiuuring QUANT-NET, 12.5 miljoni dollari suurune viieaastane teadus- ja arendustegevuse algatus, mida toetab USA energeetikaministeerium (DOE) täiustatud teadusliku andmetöötluse uuringute programmi raames, eesmärgiga luua tõestus Põhimõtteline kvantvõrk, mida testiti hajutatud kvantarvutusrakenduste jaoks.

Laborist välja võrku

QUANT-NET konsortsiumi neli uurimispartnerit – Berkeley Lab (Berkeley, CA); California Berkeley Ülikool (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); ja Innsbrucki Ülikool (Austria) - püüavad luua kolme sõlmega hajutatud kvantarvutusvõrku kahe saidi (Berkeley Lab ja UC Berkeley) vahel. Sel viisil ühendatakse kõik kvantsõlmed kvantpõimumise sideskeemi kaudu eelinstallitud telekommunikatsioonikiudude kaudu, kusjuures kogu katsealuse infrastruktuuri haldab kohandatud tarkvarapakk.

"Ühe kvantarvuti kubitide arvu suurendamisel on palju keerulisi väljakutseid," ütleb Indermohan (Inder) Monga, QUANT-NETi juhtivteadur ja Berkeley Labi teadusliku võrguosakonna direktor ning energeetika tegevdirektor. Sciences Network (ESnet), DOE suure jõudlusega võrgukasutaja (vt "ESnet: laiaulatusliku teaduse võrgustamine"). "Kuid kui suurema arvuti saab ehitada mitmest väiksemast arvutist koosnevast võrgust," lisab ta, "kas saaksime ehk kiirendada kvantarvutusvõime skaleerimist – põhimõtteliselt töötab rohkem kubitte –, jaotades kvantpõimumise kiu kaudu. optiline infrastruktuur? See on põhiküsimus, millele proovime QUANT-NETis vastata.

Teine Monga ja tema kolleegide motivatsioon on viia kvantkommunikatsioonitehnoloogiad "laborist välja" reaalsetesse võrgusüsteemidesse, mis kasutavad juba maapinnal kasutusele võetud telekommunikatsioonikiude. "Praegused kvantvõrgusüsteemid on endiselt põhiliselt ruumisuurused või lauapealsed füüsikakatsed, mida viimistlevad ja juhivad kraadiõppurid, " ütleb Monga.

Sellisena on QUANT-NETi meeskonna üks peamisi ülesandeid demonstreerida kohapeal kasutatavaid tehnoloogiaid, mis aja jooksul suudavad töötada 24/7 ilma operaatori sekkumiseta. "Mida me tahame teha, on luua tarkvarapinn, et orkestreerida ja hallata kõiki füüsilise kihi tehnoloogiaid," lisab Monga. "Või vähemalt saada aimu, milline see tarkvarapakk tulevikus välja peaks nägema, et automatiseerida kiire ja täpsusega takerdumise genereerimist, levitamist ja salvestamist tõhusal, usaldusväärsel, skaleeritaval ja kulutõhusal viisil."

Kvanttehnoloogiate lubamine

Kui QUANT-NETi lõppmängu eesmärk on katsetada kvantinterneti kandidaat-riist- ja tarkvaratehnoloogiaid, on füüsika vaatenurgast õpetlik lahti pakkida põhilised kvantehitusplokid, mis moodustavad katsealuse võrgusõlmed – nimelt lõksus olevad ioonid. Kvantarvutusprotsessorid; kvantsageduse teisendussüsteemid; ja värvikeskusepõhised ühefotoni räniallikad.

Võrgustiku infrastruktuuri osas on juba tehtud märkimisväärseid edusamme testbändide kujundamisel ja rakendamisel. QUANT-NETi testimisplatvormi infrastruktuur on valmis, sealhulgas kiudude ehitamine (pikkusega 5 km) kvantsõlmede vahel ja Berkeley Labi spetsiaalse kvantvõrgukeskuse paigaldamine. Samuti on paigas kvantvõrguarhitektuuri ja tarkvaravirna esialgsed kujundused.

Projekti QUANT-NET masinaruum on lõksu-ioonide kvantarvutusprotsessor, mis põhineb ülipeen optilise õõnsuse integreerimisel uudse kiibipõhise lõksuga Ca jaoks.⁺ ioonkubitid. Need lõksus olevad ioonkubitid ühenduvad spetsiaalse kvantkanali kaudu kogu võrgu katsealusel, luues omakorda kaugpõimumise hajutatud kvantarvutussõlmede vahel.

"Põimumise demonstreerimine on võtmetähtsusega, kuna see loob lingi kaugkvantregistrite vahel, mida saab kasutada kvantteabe teleportimiseks erinevate protsessorite vahel või tingimusliku loogika rakendamiseks nende vahel," ütleb Hartmut Häffner, kes on projekti QUANT-NET juhtivteadur. koos Mongaga ja kelle füüsikalabor UC Berkeley ülikoolilinnakus on katsevoodi teine ​​sõlm. Sama oluline on see, et hajutatud kvantarvuti arvutusvõimsus mastaapeerub märkimisväärselt selles omavahel ühendatavate kubitide arvuga.

Kahe kaug-ioonilõksu sidumine üle võrgu pole aga kaugeltki lihtne. Esiteks tuleb iga iooni spinn olla takerdunud vastavast lõksust emiteeritud footoni polarisatsiooniga (vt „Põimumise projekteerimine ja kasutamine QUANT-NETi katsealuses”). Kiire ja ülitäpse ioonide-footonite põimumine põhineb igal juhul üksikutel infrapuna-fotonitel, mis kiirguvad lainepikkusel 854 nm. Need footonid teisendatakse 1550 nm telekommunikatsiooni C-ribaks, et minimeerida fiiberoptilisi kadusid, mis mõjutavad järgnevat footonite ülekannet UC Berkeley ja Berkeley Labi kvantsõlmede vahel. Kokkuvõttes esindavad lõksus olevad ioonid ja footonid võit-võitu, kusjuures esimesed annavad statsionaarsed arvutuskubitid; viimased toimivad "lendavate side kubitidena", et ühendada hajutatud kvantsõlmed.

Granuleeritumal tasemel kasutab kvantsageduste teisendamise moodul väljakujunenud integreeritud fotoontehnoloogiaid ja niinimetatud "diferentsisageduse protsessi". Sel viisil sisend 854 nm footon (mis kiirgab Ca⁺ ioon) segatakse koherentselt tugeva pumbaväljaga 1900 nm juures mittelineaarses keskkonnas, saades väljundi telekommunikatsiooni footoni lainepikkusel 1550 nm. "Oluline on see, et see tehnika säilitab sisendfootonite kvantseisundid, pakkudes samal ajal meie kavandatud katsete jaoks kõrget muundamise efektiivsust ja madala müratasemega toimimist, " ütleb Häffner.

Kui kahe sõlme vahel on põimumine, saab QUANT-NET-i meeskond seejärel demonstreerida hajutatud kvantarvutuse põhilist ehitusplokki, kus ühes sõlmes olev kvantteave juhib teise loogikat. Eelkõige kasutatakse takerdumist ja klassikalist suhtlust kvantteabe teleportimiseks juhtsõlmest sihtsõlme, kus protsessi – näiteks mittekohalikku, kontrollitud MITTE kvantloogikaväravat – saab seejärel teostada ainult kohalike operatsioonidega.

Lõpuks on käimas paralleelne tööpakett, et uurida kvantvõrgu "heterogeensuse" mõju, tunnistades, et kvant-Interneti kujunemisfaasis võetakse tõenäoliselt kasutusele (ja seega ka üksteisega liidestatakse) mitu kvanttehnoloogiat. Sellega seoses saavad räni nanotootmise tehnikatele omasest skaleeritavusest kasu tahkisseadmed, mis põhinevad räni värvikeskustel (võre defektid, mis tekitavad optilist emissiooni telekommunikatsiooni lainepikkustel umbes 1300 nm), samas kiirgavad üksikuid footoneid, millel on kõrge eristamatuse tase (sidusus). ) on vajalik kvantpõimumiseks.

"Esimese sammuna selles suunas," lisab Häffner, "plaanime demonstreerida kvantolekute teleportatsiooni ühest footonist, mis kiirgab räni värvikeskusest Ca.⁺ qubit, leevendades nende kahe kvantsüsteemi vahelise spektraalse mittevastavuse probleemi.

QUANT-NET tegevuskava

Kuna QUANT-NET läheneb oma keskpunktile, on Monga, Häffneri ja kolleegide eesmärk iseloomustada iseseisvalt diskreetsete testbändide komponentide toimivust, enne kui need elemendid integreeritakse ja häälestatakse operatiivseks uurimissüsteemiks. "Võrgusüsteemi põhimõtteid silmas pidades keskendume ka kvantvõrgu testimissüsteemi erinevate elementide automatiseerimisele, mida tavaliselt võidakse laborikeskkonnas käsitsi häälestada või kalibreerida, " ütleb Monga.

QUANT-NETi teadus- ja arendustegevuse prioriteetide vastavusse viimine teiste kvantvõrgustike algatustega üle kogu maailma on samuti ülioluline – kuigi erinevad ja võib-olla kokkusobimatud lähenemisviisid on selle kollektiivse uurimistöö uurimuslikku laadi arvestades tõenäoliselt normiks. "Praegu vajame õitsemiseks palju lilli," märgib Monga, "et saaksime kasutada kõige lootustandvamaid kvantkommunikatsioonitehnoloogiaid ning sellega seotud võrgujuhtimistarkvara ja -arhitektuure."

Pikemas perspektiivis soovib Monga hankida DOE täiendavat rahastamist, et QUANT-NETi katsealus saaks ulatust ja keerukust suurendada. "Loodame, et meie katsealuse lähenemisviis võimaldab hõlpsamini integreerida paljutõotavaid kvanttehnoloogiaid teistest uurimisrühmadest ja tööstusest, " järeldab ta. "See omakorda tagab kiire prototüübi-testi-integreerimise tsükli, et toetada innovatsiooni... ja aitab kiiremini mõista, kuidas luua skaleeritav kvantinternet, mis eksisteeriks koos klassikalise Internetiga."

Lisalugemist

Monga sees et al. 2023 QUANT-NET: katsealus kvantvõrkude loomiseks kasutatava kiu kaudu. QuNet '23, lk 31 – 37 (10. september–142023; New York, NY, USA)

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/