क्वांट-नेट के परीक्षण आधारित नवाचार: क्वांटम नेटवर्क की पुनर्कल्पना - भौतिकी विश्व

आज का इंटरनेट वैश्विक, यहां तक ​​कि अंतरतारकीय दूरियों पर सूचना के शास्त्रीय बिट्स और बाइट्स वितरित करता है। दूसरी ओर, कल का क्वांटम इंटरनेट, महानगरीय, क्षेत्रीय और लंबी दूरी के ऑप्टिकल नेटवर्क के भीतर भौतिक रूप से दूर के क्वांटम नोड्स में फोटॉन का उपयोग करके क्वांटम उलझाव के वितरण के माध्यम से क्वांटम जानकारी के दूरस्थ कनेक्शन, हेरफेर और भंडारण को सक्षम करेगा। विज्ञान, राष्ट्रीय सुरक्षा और व्यापक अर्थव्यवस्था के लिए अवसर आकर्षक हैं और पहले से ही सामने आ रहे हैं।

क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों - सुपरपोजिशन, उलझाव और "नो-क्लोनिंग" प्रमेय का उपयोग करके, उदाहरण के लिए - क्वांटम नेटवर्क सभी प्रकार के अद्वितीय अनुप्रयोगों को सक्षम करेगा जो शास्त्रीय नेटवर्किंग प्रौद्योगिकियों के साथ संभव नहीं हैं। सरकार, वित्त, स्वास्थ्य देखभाल और सेना के लिए क्वांटम-एन्क्रिप्टेड संचार योजनाओं के बारे में सोचें; वैज्ञानिक अनुसंधान और चिकित्सा के लिए अल्ट्राहाई-रिज़ॉल्यूशन क्वांटम सेंसिंग और मेट्रोलॉजी; और, अंततः, वैश्विक नेटवर्क पर सुरक्षित रूप से जुड़े क्लाउड-आधारित क्वांटम कंप्यूटिंग संसाधनों का कार्यान्वयन।

हालाँकि, अभी, क्वांटम नेटवर्क अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में हैं, जिसमें अनुसंधान समुदाय, बड़ी तकनीक (आईबीएम, अमेज़ॅन, गूगल और माइक्रोसॉफ्ट जैसी कंपनियां) और उद्यम-वित्तपोषित स्टार्ट-अप की एक लहर है, जो व्यावहारिक कार्यक्षमता की दिशा में विविध अनुसंधान एवं विकास मार्ग अपना रहे हैं। कार्यान्वयन। इस संबंध में एक केस स्टडी क्वांट-नेट है, जो 12.5 मिलियन डॉलर की पांच साल की आर एंड डी पहल है, जिसे उन्नत वैज्ञानिक कंप्यूटिंग अनुसंधान कार्यक्रम के तहत अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) द्वारा समर्थित किया गया है, जिसका लक्ष्य एक प्रमाण तैयार करना है। वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के लिए सिद्धांत क्वांटम नेटवर्क का परीक्षण किया गया।

लैब से बाहर, नेटवर्क में

सामूहिक रूप से, क्वांट-नेट कंसोर्टियम के भीतर चार अनुसंधान भागीदार - बर्कले लैब (बर्कले, सीए); कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय बर्कले (यूसी बर्कले, सीए); कैल्टेक (पासाडेना, सीए); और इंसब्रुक विश्वविद्यालय (ऑस्ट्रिया) - दो साइटों (बर्कले लैब और यूसी बर्कले) के बीच तीन-नोड, वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग नेटवर्क स्थापित करने की मांग कर रहे हैं। इस तरह, प्रत्येक क्वांटम नोड्स को पहले से स्थापित टेलीकॉम फाइबर पर एक क्वांटम उलझाव संचार योजना के माध्यम से जोड़ा जाएगा, जिसमें सभी परीक्षण किए गए बुनियादी ढांचे को एक कस्टम-निर्मित सॉफ़्टवेयर स्टैक द्वारा प्रबंधित किया जाएगा।

बर्कले लैब में क्वांट-नेट के प्रमुख अन्वेषक और वैज्ञानिक नेटवर्किंग डिवीजन के निदेशक और ऊर्जा के कार्यकारी निदेशक इंद्रमोहन (इंदर) मोंगा कहते हैं, "जब एक क्वांटम कंप्यूटर पर क्यूबिट की संख्या बढ़ाने की बात आती है तो कई जटिल चुनौतियां होती हैं।" साइंसेज नेटवर्क (ईएसनेट), डीओई की उच्च-प्रदर्शन नेटवर्क उपयोगकर्ता सुविधा (देखें "ईएसनेट: नेटवर्किंग लार्ज-स्केल साइंस")। "लेकिन अगर एक बड़ा कंप्यूटर कई छोटे कंप्यूटरों के नेटवर्क से बनाया जा सकता है," वह आगे कहते हैं, "क्या हम शायद क्वांटम कंप्यूटिंग क्षमता के स्केलिंग को तेजी से ट्रैक कर सकते हैं - अनिवार्य रूप से मिलकर काम करने वाले अधिक क्यूबिट - एक फाइबर पर क्वांटम उलझाव को वितरित करके- ऑप्टिक इंफ्रास्ट्रक्चर? यही मूल प्रश्न है जिसका उत्तर हम क्वांट-नेट में देने का प्रयास कर रहे हैं।"

मोंगा और सहकर्मियों के लिए एक और प्रेरणा क्वांटम संचार प्रौद्योगिकियों को "प्रयोगशाला से बाहर" वास्तविक दुनिया के नेटवर्किंग सिस्टम में ले जाना है जो जमीन में पहले से ही तैनात दूरसंचार फाइबर का शोषण करते हैं। मोंगा कहते हैं, "वर्तमान क्वांटम नेटवर्किंग सिस्टम अभी भी अनिवार्य रूप से कमरे के आकार या टेबल-टॉप भौतिकी प्रयोग हैं, जिन्हें स्नातक छात्रों द्वारा ठीक से तैयार और प्रबंधित किया जाता है।"

इस प्रकार, क्वांट-नेट टीम के लिए मुख्य कार्यों में से एक क्षेत्र-परिनियोजन योग्य प्रौद्योगिकियों का प्रदर्शन करना है, जो समय के साथ, ऑपरेटर के हस्तक्षेप के बिना 24/7 संचालित करने में सक्षम होंगे। मोंगा कहते हैं, "हम जो करना चाहते हैं वह सभी भौतिक-परत प्रौद्योगिकियों को व्यवस्थित करने और प्रबंधित करने के लिए सॉफ़्टवेयर स्टैक का निर्माण करना है।" "या कम से कम इस बारे में कुछ विचार प्राप्त करें कि भविष्य में उस सॉफ़्टवेयर स्टैक को कैसा दिखना चाहिए ताकि एक कुशल, विश्वसनीय, स्केलेबल और लागत प्रभावी तरीके से उच्च-दर और उच्च-निष्ठा उलझाव उत्पादन, वितरण और भंडारण को स्वचालित किया जा सके।"

क्वांटम प्रौद्योगिकियों को सक्षम करना

यदि क्वांट-नेट एंड-गेम क्वांटम इंटरनेट के लिए उम्मीदवार हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर प्रौद्योगिकियों का रोड-टेस्ट करना है, तो यह भौतिकी के नजरिए से कोर क्वांटम बिल्डिंग ब्लॉक्स को अनपैक करने के लिए शिक्षाप्रद है जो टेस्टबेड के नेटवर्क नोड्स बनाते हैं - अर्थात्, ट्रैप्ड-आयन क्वांटम कंप्यूटिंग प्रोसेसर; क्वांटम आवृत्ति-रूपांतरण प्रणाली; और रंग-केंद्र-आधारित, एकल-फोटॉन सिलिकॉन स्रोत।

नेटवर्किंग बुनियादी ढांचे के संबंध में, परीक्षण बिस्तर डिजाइन और कार्यान्वयन पर पहले से ही महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। क्वांट-नेट परीक्षण बुनियादी ढांचा पूरा हो गया है, जिसमें क्वांटम नोड्स के बीच फाइबर निर्माण (5 किमी की सीमा) और बर्कले लैब में एक समर्पित क्वांटम नेटवर्किंग हब की फिटिंग शामिल है। क्वांटम नेटवर्क आर्किटेक्चर और सॉफ्टवेयर स्टैक के लिए प्रारंभिक डिजाइन भी मौजूद हैं।

क्वांट-नेट प्रोजेक्ट का इंजन-रूम ट्रैप्ड-आयन क्वांटम कंप्यूटिंग प्रोसेसर है, जो सीए के लिए एक नए चिप-आधारित ट्रैप के साथ एक उच्च-चालाकी ऑप्टिकल कैविटी के एकीकरण पर निर्भर करता है।⁺ आयन qubits. ये ट्रैप्ड-आयन क्वैबिट परीक्षण किए गए नेटवर्क में एक समर्पित क्वांटम चैनल के माध्यम से जुड़ेंगे - बदले में, वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग नोड्स के बीच लंबी दूरी की उलझाव पैदा करेंगे।

क्वांट-नेट परियोजना के प्रमुख अन्वेषक हर्टमट हैफनर कहते हैं, "उलझन का प्रदर्शन करना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दूरस्थ क्वांटम रजिस्टरों के बीच एक लिंक प्रदान करता है जिसका उपयोग विभिन्न प्रोसेसरों के बीच क्वांटम जानकारी को टेलीपोर्ट करने या उनके बीच सशर्त तर्क निष्पादित करने के लिए किया जा सकता है।" मोंगा के साथ, और जिसकी यूसी बर्कले परिसर में भौतिकी प्रयोगशाला परीक्षण में दूसरा नोड है। समान रूप से महत्वपूर्ण, एक वितरित क्वांटम कंप्यूटर की कंप्यूटिंग शक्ति महत्वपूर्ण रूप से उसमें जुड़े हुए क्वैबिट की संख्या के साथ मापती है।

हालाँकि, पूरे नेटवर्क में दो दूरस्थ आयन जालों को उलझाना सीधा नहीं है। सबसे पहले, प्रत्येक आयन के स्पिन को उसके संबंधित जाल से उत्सर्जित फोटॉन के ध्रुवीकरण के साथ उलझाया जाना चाहिए (देखें "क्वांट-नेट परीक्षण में इंजीनियरिंग और उलझाव का शोषण")। प्रत्येक मामले में उच्च-दर, उच्च-निष्ठा आयन-फोटॉन उलझाव 854 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित एकल, निकट-अवरक्त फोटॉन पर निर्भर करता है। यूसी बर्कले और बर्कले लैब क्वांटम नोड्स के बीच बाद के फोटॉन ट्रांसमिशन को प्रभावित करने वाले फाइबर-ऑप्टिक नुकसान को कम करने के लिए इन फोटॉनों को 1550 एनएम टेलीकॉम सी-बैंड में परिवर्तित किया जाता है। एक साथ लेने पर, फंसे हुए आयन और फोटॉन एक जीत-जीत का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिसमें पूर्व स्थिर कंप्यूटिंग क्वैबिट प्रदान करता है; बाद वाला वितरित क्वांटम नोड्स को जोड़ने के लिए "उड़ान संचार क्वैबिट" के रूप में कार्य करता है।

अधिक विस्तृत स्तर पर, क्वांटम आवृत्ति-रूपांतरण मॉड्यूल स्थापित एकीकृत फोटोनिक प्रौद्योगिकियों और तथाकथित "अंतर आवृत्ति प्रक्रिया" का उपयोग करता है। इस तरह, एक इनपुट 854 एनएम फोटॉन (सीए से उत्सर्जित)।⁺ आयन) को गैर-रेखीय माध्यम में 1900 एनएम पर एक मजबूत पंप क्षेत्र के साथ सुसंगत रूप से मिश्रित किया जाता है, जिससे 1550 एनएम पर आउटपुट टेलीकॉम फोटॉन प्राप्त होता है। हेफ़नर कहते हैं, "महत्वपूर्ण बात यह है कि यह तकनीक हमारे नियोजित प्रयोगों के लिए उच्च रूपांतरण क्षमता और कम शोर संचालन प्रदान करते हुए इनपुट फोटॉन की क्वांटम स्थिति को संरक्षित करती है।"

दो नोड्स के बीच स्थापित उलझाव के साथ, क्वांट-नेट टीम वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग के मूलभूत बिल्डिंग ब्लॉक को प्रदर्शित कर सकती है, जिसमें एक नोड में क्वांटम जानकारी दूसरे में तर्क को नियंत्रित करती है। विशेष रूप से, उलझाव और शास्त्रीय संचार का उपयोग नियंत्रित नोड से लक्ष्य नोड में क्वांटम जानकारी को टेलीपोर्ट करने के लिए किया जाता है, जहां प्रक्रिया - जैसे कि गैर-स्थानीय, नियंत्रित क्वांटम लॉजिक गेट - को केवल स्थानीय संचालन के साथ निष्पादित किया जा सकता है।

अंत में, क्वांटम नेटवर्क के भीतर "विषमता" के प्रभाव का पता लगाने के लिए एक समानांतर कार्य पैकेज चल रहा है - यह स्वीकार करते हुए कि क्वांटम इंटरनेट के प्रारंभिक चरणों में कई क्वांटम प्रौद्योगिकियों को तैनात किए जाने की संभावना है (और इसलिए एक दूसरे के साथ इंटरफेस किया गया है)। इस संबंध में, सिलिकॉन रंग-केंद्रों (जाली दोष जो 1300 एनएम के आसपास टेलीकॉम तरंग दैर्ध्य पर ऑप्टिकल उत्सर्जन उत्पन्न करते हैं) पर निर्भर ठोस-अवस्था वाले उपकरण सिलिकॉन नैनोफैब्रिकेशन तकनीकों की अंतर्निहित स्केलेबिलिटी से लाभान्वित होते हैं, जबकि उच्च स्तर की अप्रभेद्यता (सुसंगतता) के साथ एकल फोटॉन उत्सर्जित करते हैं ) क्वांटम उलझाव के लिए आवश्यक है।

"इस दिशा में पहले कदम के रूप में," हैफनर कहते हैं, "हम एक सिलिकॉन रंग-केंद्र से उत्सर्जित एकल फोटॉन से सीए तक क्वांटम-स्टेट टेलीपोर्टेशन प्रदर्शित करने की योजना बना रहे हैं।⁺ इन दो क्वांटम प्रणालियों के बीच वर्णक्रमीय बेमेल के मुद्दे को कम करके क्वैबिट।”

क्वांट-नेट रोडमैप

जैसे-जैसे क्वांट-नेट अपने मध्य-बिंदु के करीब पहुंचता है, मोंगा, हैफनर और सहकर्मियों का लक्ष्य एक परिचालन अनुसंधान परीक्षण में इन तत्वों के एकीकरण और ट्यूनिंग से पहले, स्वतंत्र रूप से अलग-अलग परीक्षण किए गए घटकों के प्रदर्शन को चिह्नित करना है। मोंगा कहते हैं, "नेटवर्क सिस्टम सिद्धांतों को ध्यान में रखते हुए, हमारा ध्यान परीक्षण किए गए क्वांटम नेटवर्क के विभिन्न तत्वों को स्वचालित करने पर भी होगा, जिन्हें आमतौर पर प्रयोगशाला वातावरण में मैन्युअल रूप से ट्यून या कैलिब्रेट किया जा सकता है।"

दुनिया भर में अन्य क्वांटम नेटवर्किंग पहलों के साथ क्वांट-नेट आर एंड डी प्राथमिकताओं को संरेखित करना भी महत्वपूर्ण है - हालांकि भिन्न, और शायद असंगत, दृष्टिकोण शायद इस सामूहिक अनुसंधान प्रयास की खोजपूर्ण प्रकृति को देखते हुए आदर्श होंगे। मोंगा कहते हैं, "फिलहाल हमें खिलने के लिए कई फूलों की जरूरत है, ताकि हम सबसे आशाजनक क्वांटम संचार प्रौद्योगिकियों और संबंधित नेटवर्क नियंत्रण सॉफ्टवेयर और आर्किटेक्चर पर काम कर सकें।"

लंबी अवधि के लिए, मोंगा अतिरिक्त डीओई फंडिंग सुरक्षित करना चाहता है, ताकि क्वांट-नेट परीक्षण पहुंच और जटिलता के मामले में बड़ा हो सके। "हमें उम्मीद है कि हमारा परीक्षण दृष्टिकोण अन्य अनुसंधान टीमों और उद्योग से आशाजनक क्वांटम प्रौद्योगिकियों के आसान एकीकरण को सक्षम करेगा," उन्होंने निष्कर्ष निकाला। "यह बदले में नवाचार का समर्थन करने के लिए एक तेज़ प्रोटोटाइप-परीक्षण-एकीकृत चक्र प्रदान करेगा... और एक स्केलेबल क्वांटम इंटरनेट बनाने के तरीके की त्वरित समझ में योगदान देगा जो शास्त्रीय इंटरनेट के साथ सह-अस्तित्व में है।"

आगे पढ़ने के लिए

इंदर मोंगा एट अल. 2023 क्वांट-नेट: तैनात फाइबर पर क्वांटम नेटवर्किंग अनुसंधान के लिए एक परीक्षण स्थल। क्यूनेट '23, पीपी 31-37 (सितंबर 10-142023; न्यूयॉर्क, एनवाई, यूएस)

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