نوآوری های بستر آزمایش QUANT-NET: تصور مجدد شبکه کوانتومی - دنیای فیزیک

اینترنت امروزی بیت ها و بایت های کلاسیک اطلاعات را در فواصل جهانی، حتی بین ستاره ای، توزیع می کند. از سوی دیگر، اینترنت کوانتومی فردا، اتصال از راه دور، دستکاری و ذخیره سازی اطلاعات کوانتومی - از طریق توزیع درهم تنیدگی کوانتومی با استفاده از فوتون ها - در میان گره های کوانتومی فیزیکی دور در شبکه های نوری شهری، منطقه ای و دوربرد را امکان پذیر می کند. فرصت‌ها برای علم، امنیت ملی و اقتصاد گسترده‌تر قانع‌کننده هستند و در حال حاضر در معرض دید قرار گرفته‌اند.

با بهره‌برداری از اصول مکانیک کوانتومی - برای مثال، برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی و قضیه «بدون شبیه‌سازی» - شبکه‌های کوانتومی انواع کاربردهای منحصربه‌فردی را که با فناوری‌های شبکه‌های کلاسیک امکان‌پذیر نیستند، فعال می‌کنند. به طرح های ارتباطی رمزگذاری شده کوانتومی برای دولت، امور مالی، بهداشت و درمان و ارتش فکر کنید. سنجش کوانتومی و مترولوژی با وضوح فوق العاده بالا برای تحقیقات علمی و پزشکی؛ و در نهایت، پیاده‌سازی منابع محاسبات کوانتومی مبتنی بر ابر در مقیاس، که به طور ایمن در سراسر شبکه‌های جهانی مرتبط شده‌اند.

با این حال، در حال حاضر، شبکه‌های کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند، با جامعه تحقیقاتی، فناوری‌های بزرگ (شرکت‌هایی مانند IBM، آمازون، گوگل و مایکروسافت) و موجی از استارت‌آپ‌های سرمایه‌گذاری شده با سرمایه‌گذاری مخاطره‌آمیز، همگی مسیرهای تحقیق و توسعه متنوعی را به سمت عملکرد عملی و کاربردی دنبال می‌کنند. پیاده سازی. یک مطالعه موردی در این رابطه QUANT-NET است، یک ابتکار تحقیق و توسعه 12.5 میلیون دلاری که توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE)، تحت برنامه تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته، با هدف ایجاد یک اثبات اثبات حمایت می شود. شبکه کوانتومی اصلی برای کاربردهای محاسبات کوانتومی توزیع شده آزمایش شده است.

خارج از آزمایشگاه، به شبکه

در مجموع، چهار شریک تحقیقاتی در کنسرسیوم QUANT-NET - آزمایشگاه برکلی (برکلی، کالیفرنیا). دانشگاه کالیفرنیا برکلی (UC Berkeley، CA)؛ کلتک (پاسادنا، کالیفرنیا)؛ و دانشگاه اینسبروک (اتریش) - به دنبال ایجاد یک شبکه محاسباتی کوانتومی توزیع شده سه گره بین دو سایت (آزمایشگاه برکلی و دانشگاه برکلی) هستند. به این ترتیب، هر یک از گره‌های کوانتومی از طریق یک طرح ارتباطی درهم‌تنیدگی کوانتومی روی فیبر مخابراتی از پیش نصب‌شده، با تمام زیرساخت‌های بستر آزمایشی که توسط یک پشته نرم‌افزاری ساخته‌شده مدیریت می‌شود، به هم متصل می‌شوند.

ایندرموهان (ایندر) مونگا، محقق اصلی QUANT-NET و مدیر بخش شبکه‌های علمی در آزمایشگاه برکلی و مدیر اجرایی انرژی می‌گوید: «در مورد افزایش تعداد کیوبیت‌ها در یک رایانه کوانتومی، چالش‌های پیچیده زیادی وجود دارد. شبکه علوم (ESnet)، تسهیلات کاربر شبکه با کارایی بالا DOE (به «ESnet: شبکه‌سازی علوم در مقیاس بزرگ» مراجعه کنید). او می افزاید: «اما اگر یک کامپیوتر بزرگتر را بتوان از شبکه ای از چندین کامپیوتر کوچکتر ساخت، شاید بتوانیم مقیاس بندی قابلیت محاسبات کوانتومی را – که اساساً کیوبیت های بیشتری در پشت سر هم کار می کنند – با توزیع درهم تنیدگی کوانتومی بر روی یک فیبر، به سرعت ردیابی کنیم. زیرساخت نوری؟ این سوال اساسی است که ما سعی داریم در QUANT-NET به آن پاسخ دهیم."

انگیزه دیگر مونگا و همکارانش این است که فناوری‌های ارتباطی کوانتومی را «خارج از آزمایشگاه» به سیستم‌های شبکه‌های دنیای واقعی ببرند که از فیبرهای مخابراتی که قبلاً در زمین مستقر شده‌اند، بهره‌برداری می‌کنند. Monga می‌گوید: «سیستم‌های شبکه‌های کوانتومی کنونی هنوز اساساً آزمایش‌های فیزیک به اندازه اتاق یا روی میز هستند که توسط دانشجویان فارغ‌التحصیل تنظیم و مدیریت می‌شوند.

به این ترتیب، یکی از وظایف اصلی تیم QUANT-NET نشان دادن فناوری‌های قابل استقرار در میدان است که با گذشت زمان، قادر خواهند بود بدون دخالت اپراتور به صورت 24/7 کار کنند. مونگا می‌افزاید: «کاری که ما می‌خواهیم انجام دهیم این است که پشته نرم‌افزاری را برای هماهنگ‌سازی و مدیریت تمام فناوری‌های لایه فیزیکی بسازیم. یا حداقل تصوری از این که پشته نرم‌افزاری در آینده چگونه باید باشد به‌منظور خودکارسازی تولید، توزیع و ذخیره‌سازی درهم‌تنیدگی با نرخ بالا و با وفاداری بالا به روشی کارآمد، قابل اعتماد، مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه باشد.»

فعال کردن فناوری های کوانتومی

اگر بازی پایانی QUANT-NET برای آزمایش جاده ای فناوری های سخت افزاری و نرم افزاری کاندید برای اینترنت کوانتومی باشد، از منظر فیزیک آموزنده است که بلوک های سازنده کوانتومی هسته ای را که گره های شبکه بستر آزمایش را تشکیل می دهند - یعنی یون به دام افتاده باز کنید. پردازنده های محاسباتی کوانتومی؛ سیستم های تبدیل فرکانس کوانتومی؛ و منابع سیلیکونی تک فوتونی مبتنی بر مرکز رنگ.

با توجه به زیرساخت شبکه، پیشرفت قابل توجهی در طراحی و پیاده سازی بستر آزمایشی صورت گرفته است. زیرساخت بستر آزمایش QUANT-NET کامل است، از جمله ساخت فیبر (5 کیلومتر در وسعت) بین گره‌های کوانتومی به علاوه اتصالات یک هاب شبکه کوانتومی اختصاصی در آزمایشگاه برکلی. طرح‌های اولیه برای معماری شبکه کوانتومی و پشته نرم‌افزاری نیز در حال انجام است.

موتورخانه پروژه QUANT-NET یک پردازنده محاسباتی کوانتومی یونی به دام افتاده است که بر ادغام یک حفره نوری با ظرافت بالا با یک تله جدید مبتنی بر تراشه برای کلسیم متکی است.⁺ کیوبیت های یونی این کیوبیت‌های یون به دام افتاده از طریق یک کانال کوانتومی اختصاصی در سراسر بستر آزمایشی شبکه به هم متصل می‌شوند و به نوبه خود، درهم تنیدگی طولانی‌مدت بین گره‌های محاسباتی کوانتومی توزیع شده ایجاد می‌کنند.

هارتموت هافنر، محقق اصلی پروژه QUANT-NET می‌گوید: «نمایش درهم تنیدگی کلیدی است، زیرا پیوندی بین ثبات‌های کوانتومی راه دور ایجاد می‌کند که می‌توانند برای انتقال اطلاعات کوانتومی بین پردازنده‌های مختلف یا اجرای منطق شرطی بین آنها استفاده شوند. با Monga، و آزمایشگاه فیزیک او در پردیس UC Berkeley گره دیگر در بستر آزمایش است. به همان اندازه مهم است، قدرت محاسباتی یک کامپیوتر کوانتومی توزیع شده به طور قابل توجهی با تعداد کیوبیت هایی که می توانند در آن به هم متصل شوند، مقیاس می شود.

با این حال، درهم تنیدگی دو تله یونی از راه دور در سراسر شبکه چندان ساده نیست. ابتدا، اسپین هر یون باید با قطبش یک فوتون ساطع شده از تله مربوطه خود درگیر شود (به "مهندسی و بهره برداری از درهم تنیدگی در بستر آزمایش QUANT-NET" مراجعه کنید). درهم تنیدگی یون- فوتون با سرعت بالا و با وفاداری بالا در هر مورد به فوتون های منفرد نزدیک به مادون قرمز متکی است که در طول موج 854 نانومتر ساطع می شوند. این فوتون‌ها به باند C مخابراتی 1550 نانومتری تبدیل می‌شوند تا تلفات فیبر نوری را که بر انتقال فوتون بعدی بین گره‌های کوانتومی UC Berkeley و Berkeley Lab تأثیر می‌گذارد، به حداقل برسانند. روی هم رفته، یون‌ها و فوتون‌های به دام افتاده نشان‌دهنده یک برد-برد هستند که اولی کیوبیت‌های محاسباتی ثابت را ارائه می‌کند. دومی به عنوان «کیوبیت‌های ارتباطی پرنده» برای پیوند دادن گره‌های کوانتومی توزیع شده عمل می‌کند.

در سطح دانه‌ای‌تر، ماژول تبدیل فرکانس کوانتومی از فناوری‌های فوتونیک یکپارچه و به اصطلاح «فرایند فرکانس اختلاف» بهره می‌برد. به این ترتیب، یک فوتون ورودی 854 نانومتر (که از یک Ca⁺ یون) به طور منسجم با یک میدان پمپ قوی در 1900 نانومتر در یک محیط غیر خطی مخلوط می شود و یک فوتون مخابراتی خروجی در 1550 نانومتر تولید می کند. هافنر می‌گوید: «به طور اساسی، این تکنیک حالت‌های کوانتومی فوتون‌های ورودی را حفظ می‌کند و در عین حال راندمان تبدیل بالا و عملکرد کم نویز را برای آزمایش‌های برنامه‌ریزی‌شده ما فراهم می‌کند.

با ایجاد درهم تنیدگی بین دو گره، تیم QUANT-NET سپس می‌تواند بلوک اصلی محاسبات کوانتومی توزیع‌شده را نشان دهد، که در آن اطلاعات کوانتومی در یک گره، منطق گره دیگر را کنترل می‌کند. به طور خاص، درهم تنیدگی و ارتباطات کلاسیک برای انتقال اطلاعات کوانتومی از گره کنترل‌کننده به گره هدف استفاده می‌شود، جایی که فرآیند - مانند یک گیت منطقی کوانتومی غیرمحلی و کنترل‌شده NOT - می‌تواند تنها با عملیات محلی اجرا شود.

در نهایت، یک بسته کاری موازی برای بررسی تأثیر «ناهمگونی» در شبکه کوانتومی در حال انجام است - با اذعان به اینکه فناوری‌های کوانتومی متعدد احتمالاً در مراحل شکل‌گیری اینترنت کوانتومی به کار گرفته می‌شوند (و بنابراین با یکدیگر در ارتباط هستند). در این راستا، دستگاه‌های حالت جامد متکی به مراکز رنگی سیلیکونی (نقایص شبکه‌ای که انتشار نوری در طول موج‌های مخابراتی در حدود 1300 نانومتر ایجاد می‌کنند) از مقیاس‌پذیری ذاتی تکنیک‌های نانوساخت سیلیکونی بهره می‌برند، در حالی که فوتون‌های منفرد با سطح بالایی از عدم تفکیک ساطع می‌کنند. ) برای درهم تنیدگی کوانتومی مورد نیاز است.

هافنر می افزاید: «به عنوان اولین گام در این مسیر، ما قصد داریم انتقال حالت کوانتومی را از یک فوتون منفرد منتشر شده از مرکز رنگ سیلیکونی به یک کلسیم نشان دهیم.⁺ کیوبیت با کاهش مسئله عدم تطابق طیفی بین این دو سیستم کوانتومی.

نقشه راه QUANT-NET

همانطور که QUANT-NET به نقطه میانی خود نزدیک می شود، هدف مونگا، هافنر و همکارانش این است که عملکرد اجزای بستر آزمایش گسسته را به طور مستقل، قبل از ادغام و تنظیم این عناصر در یک بستر آزمایشی عملیاتی توصیف کنند. مونگا می‌گوید: «با در نظر گرفتن اصول سیستم شبکه، تمرکز ما نیز بر خودکارسازی عناصر مختلف یک بستر آزمایشی شبکه کوانتومی است که معمولاً ممکن است به صورت دستی در یک محیط آزمایشگاه تنظیم یا کالیبره شوند».

همسویی اولویت‌های تحقیق و توسعه QUANT-NET با سایر ابتکارات شبکه‌های کوانتومی در سراسر جهان نیز بسیار مهم است – اگرچه رویکردهای متفاوت و شاید ناسازگار احتمالاً با توجه به ماهیت اکتشافی این تلاش تحقیقاتی جمعی، معمول خواهد بود. مونگا خاطرنشان می‌کند: «ما در حال حاضر برای شکوفه دادن به گل‌های زیادی نیاز داریم، تا بتوانیم امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های ارتباطی کوانتومی و نرم‌افزارها و معماری‌های کنترل شبکه مرتبط را در خود جای دهیم.»

درازمدت، Monga می‌خواهد بودجه اضافی DOE را تضمین کند، به طوری که بستر آزمایش QUANT-NET بتواند از نظر دسترسی و پیچیدگی مقیاس‌پذیر باشد. او در پایان می‌گوید: «ما امیدواریم که رویکرد بستر آزمایشی ما ادغام آسان‌تر فناوری‌های کوانتومی امیدوارکننده از سایر تیم‌های تحقیقاتی و صنعت را امکان‌پذیر کند. این به نوبه خود یک چرخه نمونه اولیه-آزمایش-ادغام سریع برای حمایت از نوآوری را فراهم می‌کند و به درک سریعی از نحوه ساخت یک اینترنت کوانتومی مقیاس‌پذیر که با اینترنت کلاسیک وجود دارد کمک می‌کند.

مطالعه بیشتر

ایندر مونگا و همکاران 2023 QUANT-NET: بستر آزمایشی برای تحقیقات شبکه های کوانتومی بر روی فیبر مستقر. QuNet '23, pp 31-37 (10-142023 سپتامبر؛ نیویورک، نیویورک، ایالات متحده)

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/