QUANT-NETin testausalustan innovaatiot: kvanttiverkon uudelleenkuviointi – Physics World

Nykypäivän Internet jakaa klassisia bittejä ja tavuja tietoa globaaleille, jopa tähtienvälisille etäisyyksille. Toisaalta huomisen kvanttiinternet mahdollistaa kvanttiinformaation etäyhteyden, manipuloinnin ja tallentamisen – jakamalla kvanttiketujuutta fotonien avulla – fyysisesti etäisten kvanttisolmujen yli suurkaupunki-, alue- ja pitkän matkan optisissa verkoissa. Tieteen, kansallisen turvallisuuden ja koko talouden kannalta mahdollisuudet ovat pakottavia ja jo avautumassa.

Kvanttimekaniikan periaatteita – esimerkiksi superpositiota, kietoutumista ja ”ei kloonausta” – hyödyntämällä kvanttiverkot mahdollistavat kaikenlaisia ​​ainutlaatuisia sovelluksia, jotka eivät ole mahdollisia klassisilla verkkotekniikoilla. Ajattele kvanttisalattuja viestintäjärjestelmiä hallitukselle, rahoitukselle, terveydenhuollolle ja armeijalle; ultrakorkean resoluution kvanttianturi ja metrologia tieteelliseen tutkimukseen ja lääketieteeseen; ja viime kädessä laajamittaisten, pilvipohjaisten kvanttilaskentaresurssien käyttöönotto, jotka on linkitetty turvallisesti maailmanlaajuisiin verkkoihin.

Tällä hetkellä kvanttiverkot ovat kuitenkin vielä lapsenkengissään, sillä tutkimusyhteisö, suuret teknologiayritykset (kuten IBM, Amazon, Google ja Microsoft) ja joukko pääomasijoittamia start-up-yrityksiä etsivät erilaisia ​​T&K-polkuja kohti käytännön toimivuutta ja toteutus. Tapaustutkimus tähän liittyen on QUANT-NET, 12.5 miljoonan dollarin viisivuotinen T&K-aloite, jota tukee Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) Advanced Scientific Computing Research -ohjelman puitteissa ja jonka tavoitteena on rakentaa todiste periaatteellinen kvanttiverkko, joka on testattu hajautetuille kvanttilaskentasovelluksille.

Pois laboratoriosta verkkoon

Yhdessä neljä tutkimuskumppania QUANT-NET-konsortiossa – Berkeley Lab (Berkeley, CA); University of California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); ja Innsbruckin yliopisto (Itävalta) - pyrkivät perustamaan kolmen solmun hajautetun kvanttilaskentaverkon kahden toimipisteen (Berkeley Lab ja UC Berkeley) välille. Tällä tavalla kukin kvanttisolmu liitetään kvanttikettumisviestintäjärjestelmän kautta esiasennetun tietoliikennekuidun kautta, ja kaikkea testialustan infrastruktuuria hallinnoi räätälöity ohjelmistopino.

"Yhden kvanttitietokoneen kubittien määrän lisäämisessä on monia monimutkaisia ​​haasteita", sanoo Indermohan (Inder) Monga, QUANT-NETin päätutkija ja Berkeley Labin tieteellisen verkkojaoston johtaja ja energian toiminnanjohtaja. Sciences Network (ESnet), DOE:n korkean suorituskyvyn verkon käyttäjätoiminto (katso "ESnet: laajamittaisen tieteen verkottaminen"). "Mutta jos suurempi tietokone voidaan rakentaa useiden pienempien tietokoneiden verkosta", hän lisää, "voisimmeko ehkä nopeuttaa kvanttilaskentakyvyn skaalausta - enemmän kubitteja, jotka toimivat olennaisesti rinnakkain - jakamalla kvanttiketujuus kuidun yli. optinen infrastruktuuri? Tämä on peruskysymys, johon yritämme vastata QUANT-NETissä."

Toinen Mongan ja kollegoiden motivaatio on viedä kvanttiviestintäteknologiat "pois laboratoriosta" todellisiin verkkojärjestelmiin, jotka hyödyntävät jo maassa olevia tietoliikennekuituja. "Nykyiset kvanttiverkkojärjestelmät ovat edelleen pääosin huoneen kokoisia tai pöytätason fysiikan kokeita, joita jatko-opiskelijat hienosäätävät ja hallitsevat", Monga sanoo.

Sellaisenaan yksi QUANT-NET-tiimin päätehtävistä on esitellä kentällä käyttöönotettavia teknologioita, jotka ajan myötä pystyvät toimimaan 24/7 ilman käyttäjän väliintuloa. "Haluamme rakentaa ohjelmistopinon ohjaamaan ja hallitsemaan kaikkia fyysisen kerroksen teknologioita", Monga lisää. "Tai ainakin saada käsitys siitä, miltä tuon ohjelmistopinon pitäisi näyttää tulevaisuudessa, jotta se automatisoisi nopean ja tarkan sekoittumisen luomisen, jakelun ja varastoinnin tehokkaalla, luotettavalla, skaalautuvalla ja kustannustehokkaalla tavalla."

Kvanttiteknologian mahdollistaminen

Jos QUANT-NET-loppupelin tarkoituksena on testata kvantti-internetin ehdokaslaitteisto- ja ohjelmistoteknologioita, on fysiikan näkökulmasta opettavaista purkaa ydinkvanttirakennuspalikoita, jotka muodostavat testialustan verkkosolmut – nimittäin loukkuun jääneen ionin. kvanttilaskentaprosessorit; kvanttitaajuusmuunnosjärjestelmät; ja värikeskuspohjaiset yhden fotonin piilähteet.

Mitä tulee verkkoinfrastruktuuriin, testialustojen suunnittelussa ja toteutuksessa on jo edistytty merkittävästi. QUANT-NET-testialustan infrastruktuuri on valmis, mukaan lukien kuiturakentaminen (pituus 5 km) kvanttisolmujen välillä sekä erillisen kvanttiverkkokeskuksen asentaminen Berkeley Labiin. Kvanttiverkkoarkkitehtuurin ja ohjelmistopinon alustavat suunnitelmat ovat myös paikallaan.

QUANT-NET-projektin konehuone on trapped-ion-kvanttilaskentaprosessori, joka perustuu erittäin hienon optisen ontelon integrointiin uuteen sirupohjaiseen Ca:n ansaan.⁺ ionikubitit. Nämä loukkuun jääneet ionikubitit yhdistyvät erillisen kvanttikanavan kautta verkon testialustan poikki – luoden vuorostaan ​​pitkän matkan kietoutumista hajautettujen kvanttilaskentasolmujen välille.

"Ketkeytymisen osoittaminen on avainasemassa, koska se tarjoaa linkin etäkvanttirekisterien välille, jota voidaan käyttää kvanttitietojen teleportoimiseen eri prosessorien välillä tai ehdollisen logiikan suorittamiseen niiden välillä", sanoo Hartmut Häffner, joka on QUANT-NET-projektin päätutkija. Mongan kanssa, ja jonka fysiikan laboratorio UC Berkeleyn kampuksella on testikentän toinen solmu. Yhtä tärkeätä on, että hajautetun kvanttitietokoneen laskentateho skaalautuu merkittävästi siinä olevien kubittien lukumäärän mukaan.

Kahden etä-ioniloukun sotkeminen verkon yli ei kuitenkaan ole läheskään yksinkertaista. Ensinnäkin kunkin ionin spin on sotkeuduttava vastaavasta loukusta emittoidun fotonin polarisaatioon (katso "Ketkeytymisen suunnittelu ja hyödyntäminen QUANT-NET-testikentässä"). Suurinopeuksinen, erittäin tarkka ioni-fotoni-kietoutuminen perustuu kussakin tapauksessa yksittäisiin, lähi-infrapunafotoneihin, jotka lähetetään aallonpituudella 854 nm. Nämä fotonit muunnetaan 1550 nm:n televiestinnän C-kaistaksi valokuituhäviöiden minimoimiseksi, jotka vaikuttavat myöhempään fotonien siirtoon UC Berkeleyn ja Berkeley Labin kvanttisolmujen välillä. Yhdessä loukkuun jääneet ionit ja fotonit edustavat win-win-periaatetta, kun ensimmäiset tarjoavat kiinteät laskentakubitit; viimeksi mainitut toimivat "lentävinä viestintäkubitteina" hajautettujen kvanttisolmujen yhdistämiseksi.

Rakeisemmalla tasolla kvanttitaajuusmuunnosmoduuli hyödyntää vakiintuneita integroituja fotoniteknologioita ja niin kutsuttua "erotaajuusprosessia". Tällä tavalla sisääntulo 854 nm fotoni (säteilee Ca⁺ ioni) sekoitetaan koherentisti voimakkaan pumppukentän kanssa aallonpituudella 1900 nm epälineaarisessa väliaineessa, jolloin saadaan televiestintäfotoni 1550 nm:ssä. "Tärkeintä on, että tämä tekniikka säilyttää syöttöfotonien kvanttitilat samalla kun se tarjoaa korkean muunnostehokkuuden ja hiljaisen toiminnan suunnitelluissa kokeissamme", Häffner sanoo.

Kun kietoutuminen on muodostettu kahden solmun välille, QUANT-NET-tiimi voi sitten osoittaa hajautetun kvanttilaskennan perustavanlaatuisen rakennuspalikan, jossa yhden solmun kvanttitieto ohjaa toisen solmun logiikkaa. Erityisesti kietoutumista ja klassista viestintää käytetään kvanttiinformaation teleportoimiseen ohjaussolmusta kohdesolmuun, jossa prosessi – kuten ei-paikallinen, ohjattu EI kvanttilogiikkaportti – voidaan sitten suorittaa vain paikallisilla operaatioilla.

Lopuksi, rinnakkainen työpaketti on meneillään tutkimaan "heterogeenisuuden" vaikutuksia kvanttiverkossa - tunnustaen, että useat kvanttiteknologiat todennäköisesti otetaan käyttöön (ja siten liitetään toisiinsa) kvantti-Internetin muodostumisvaiheissa. Tältä osin solid-state-laitteet, jotka perustuvat piin värikeskuksiin (hilaviat, jotka synnyttävät optista säteilyä televiestinnän aallonpituuksilla noin 1300 nm), hyötyvät piin nanovalmistustekniikoiden luontaisesta skaalautuvuudesta, samalla kun ne lähettävät yksittäisiä fotoneja, joiden erottumattomuus (koherenssi) on korkea. ) tarvitaan kvanttikettumiseen.

"Ensimmäisenä askeleena tähän suuntaan", lisää Häffner, "suunnittelemme kvanttitilateleportaatiota yhdestä piin värikeskuksesta Ca:hun säteiletystä fotonista.⁺ kubitti lievittämällä näiden kahden kvanttijärjestelmän välistä spektrin epäsopivuutta."

QUANT-NET-tiekartta

Kun QUANT-NET lähestyy puoliväliä, Mongan, Häffnerin ja kollegoiden tavoitteena on karakterisoida erillisten testialustojen komponenttien suorituskyky itsenäisesti, ennen kuin nämä elementit integroidaan ja viritetään toiminnalliseksi tutkimustestijärjestelmäksi. "Verkkojärjestelmän periaatteet huomioon ottaen keskitymme myös kvanttiverkon testialustan eri elementtien automatisointiin, jotka tyypillisesti voidaan virittää tai kalibroida manuaalisesti laboratorioympäristössä", Monga sanoo.

QUANT-NETin T&K-prioriteettien yhteensovittaminen muiden kvanttiverkottumishankkeiden kanssa ympäri maailmaa on myös ratkaisevan tärkeää – vaikkakin erilaiset ja ehkä yhteensopimattomat lähestymistavat ovat todennäköisesti normi, kun otetaan huomioon tämän kollektiivisen tutkimushankkeen tutkiva luonne. "Tarvitsemme monia kukkia kukkimaan toistaiseksi", Monga huomauttaa, "jotta voimme hyödyntää lupaavimpia kvanttiviestintätekniikoita ja niihin liittyviä verkonhallintaohjelmistoja ja -arkkitehtuureja."

Pidemmällä aikavälillä Monga haluaa varmistaa DOE:n lisärahoituksen, jotta QUANT-NET-testialustaa voidaan skaalata kattavuuden ja monimutkaisuuden suhteen. "Toivomme, että testiympäristömme mahdollistaa muiden tutkimusryhmien ja teollisuuden lupaavien kvanttiteknologioiden helpomman integroinnin", hän päättää. "Tämä puolestaan ​​tarjoaa nopean prototyyppi-testi-integroi-syklin innovaation tukemiseksi... ja edistää nopeutettua ymmärrystä siitä, kuinka rakentaa skaalautuva kvantti-internet, joka toimii rinnakkain klassisen internetin kanssa."

Kirjallisuutta

Mongan sisällä et ai. 2023 QUANT-NET: Testattu kvanttiverkkotutkimukselle käyttöönotetun kuidun kautta. QuNet '23, pp 31 – 37 (10. syyskuuta–142023; New York, NY, Yhdysvallat)

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/