A QUANT-NET tesztágyi innovációi: a kvantumhálózat újragondolása – Fizikai világ

A mai internet klasszikus biteket és bájtokat oszt el globális, sőt csillagközi távolságokban is. A holnap kvantuminternete viszont lehetővé teszi a kvantuminformációk távoli összekapcsolását, manipulálását és tárolását – a kvantumösszefonódás fotonok segítségével történő elosztásán keresztül – a nagyvárosi, regionális és hosszú távú optikai hálózatok fizikailag távoli kvantumcsomópontjain keresztül. A tudomány, a nemzetbiztonság és a tágabb értelemben vett gazdaság számára lenyűgözőek a lehetőségek, amelyek már most is láthatók.

A kvantummechanika elveit – például a szuperpozíciót, az összefonódást és a „nincs klónozást” – kihasználva a kvantumhálózatok mindenféle egyedi alkalmazást tesznek lehetővé, amelyek a klasszikus hálózati technológiákkal nem lehetségesek. Gondoljon kvantum-titkosított kommunikációs rendszerekre a kormány, a pénzügy, az egészségügy és a katonaság számára; ultranagy felbontású kvantumérzékelés és metrológia tudományos kutatás és orvostudomány számára; és végső soron a globális hálózatokon keresztül biztonságosan összekapcsolt, nagyméretű, felhő alapú kvantumszámítási erőforrások megvalósítása.

Jelenleg azonban a kvantumhálózatok még gyerekcipőben járnak, a kutatói közösség, a nagy technológiai vállalatok (például az IBM, az Amazon, a Google és a Microsoft) és a kockázati finanszírozású induló vállalkozások hulláma, amelyek mind változatos K+F utakat keresnek a gyakorlati funkcionalitás és végrehajtás. E tekintetben egy esettanulmány a QUANT-NET, egy 12.5 millió dolláros, ötéves kutatás-fejlesztési kezdeményezés, amelyet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) támogat az Advanced Scientific Computing Research Program keretében, azzal a céllal, hogy bizonyítékot készítsen a elosztott kvantumszámítási alkalmazásokhoz tesztelt kvantumhálózat.

Ki a laborból, be a hálózatba

A QUANT-NET konzorcium négy kutatópartnere együttesen – Berkeley Lab (Berkeley, CA); University of California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); és az Innsbrucki Egyetem (Ausztria) – egy három csomópontból álló, elosztott kvantumszámítási hálózat létrehozására törekednek két helyszín (Berkeley Lab és UC Berkeley) között. Ily módon az egyes kvantumcsomópontok kvantumösszefonódású kommunikációs sémán keresztül lesznek összekapcsolva az előre telepített távközlési szálon keresztül, és az összes tesztpadi infrastruktúrát egyedileg épített szoftververem kezeli.

„Számos összetett kihívással kell szembenézni, ha egyetlen kvantumszámítógépen a qubitek számának növeléséről van szó” – mondja Indermohan (Inder) Monga, a QUANT-NET vezető kutatója és a Berkeley Lab tudományos hálózati részlegének igazgatója, valamint az Energy ügyvezető igazgatója. Sciences Network (ESnet), a DOE nagy teljesítményű hálózati felhasználói létesítménye (lásd: „ESnet: nagyszabású tudomány hálózatépítése”). „De ha több kisebb számítógépből álló hálózatból is fel lehet építeni egy nagyobb számítógépet, akkor talán felgyorsíthatjuk a kvantumszámítási képesség skálázását – lényegében több qubit működik együtt – a kvantumösszefonódás elosztásával egy szálon. optikai infrastruktúra? Ez az alapvető kérdés, amelyre a QUANT-NET-en belül próbálunk választ adni.”

Egy másik motiváció Monga és munkatársai számára az, hogy a kvantumkommunikációs technológiákat „kivonják a laboratóriumból” valós hálózati rendszerekbe, amelyek kihasználják a földön már telepített távközlési szálakat. „A jelenlegi kvantumhálózati rendszerek még mindig alapvetően szobaméretű vagy asztali fizikai kísérletek, amelyeket végzős hallgatók finomhangolnak és kezelnek” – mondja Monga.

Mint ilyen, a QUANT-NET csapatának egyik fő feladata, hogy bemutassa a terepen telepíthető technológiákat, amelyek idővel a hét minden napján, a hét minden napján, 24 órában működni fognak kezelői beavatkozás nélkül. „Amit tenni akarunk, az az, hogy létrehozzuk a szoftververmet az összes fizikai rétegbeli technológia hangszereléséhez és kezeléséhez” – teszi hozzá Monga. „Vagy legalább képet kapjon arról, hogy ennek a szoftvercsomagnak hogyan kell kinéznie a jövőben, hogy hatékony, megbízható, méretezhető és költséghatékony módon automatizálható legyen a nagy sebességű és nagy pontosságú összefonódások generálása, elosztása és tárolása.”

Kvantumtechnológiák engedélyezése

Ha a QUANT-NET végjáték célja a kvantuminternethez szükséges hardver- és szoftvertechnológiák tesztelése, akkor fizika szempontjából tanulságos a tesztbed hálózati csomópontjait alkotó alapvető kvantum építőelemek – nevezetesen a befogott ion – kibontása. kvantumszámítási processzorok; kvantumfrekvencia-átalakító rendszerek; és színközpont alapú, egyfoton szilíciumforrások.

Ami a hálózati infrastruktúrát illeti, már jelentős előrelépés történt a tesztpad tervezése és megvalósítása terén. A QUANT-NET tesztágyas infrastruktúra elkészült, beleértve a szálas építést (5 km-es kiterjedésben) a kvantumcsomópontok között, valamint a Berkeley Lab dedikált kvantumhálózati központjának felszerelését. A kvantumhálózati architektúra és a szoftververem kezdeti tervei szintén elkészültek.

A QUANT-NET projekt gépterme a csapdába ejtett kvantumszámítógép-processzor, amely egy nagy finomságú optikai üreg és egy új, chip alapú Ca csapda integrálására támaszkodik.⁺ ion qubit. Ezek a csapdába esett ionok egy dedikált kvantumcsatornán keresztül fognak kapcsolódni a hálózati tesztágyon keresztül, ami viszont nagy távolságú összefonódást hoz létre az elosztott kvantumszámítási csomópontok között.

„Az összefonódás kimutatása kulcsfontosságú, mivel kapcsolatot biztosít a távoli kvantumregiszterek között, amelyek segítségével kvantuminformációkat lehet teleportálni a különböző processzorok között, vagy feltételes logikát lehet végrehajtani közöttük” – mondja Hartmut Häffner, a QUANT-NET projekt vezető kutatója. Mongával, és akinek az UC Berkeley kampuszon található fizikai laborja a másik csomópont a tesztpadban. Ugyanilyen fontos, hogy egy elosztott kvantumszámítógép számítási teljesítménye jelentősen skálázódik a benne összekapcsolható qubitek számával.

Két távoli ioncsapda összekapcsolása a hálózaton azonban korántsem egyszerű. Először is, az egyes ionok spinjét össze kell kötni a megfelelő csapdájából kibocsátott foton polarizációjával (lásd „Az összefonódás tervezése és kihasználása a QUANT-NET tesztágyban”). A nagy sebességű, nagy pontosságú ion-foton összefonódás minden esetben egyetlen, közeli infravörös fotonokon alapul, amelyeket 854 nm hullámhosszon bocsátanak ki. Ezeket a fotonokat átalakítják az 1550 nm-es távközlési C-sávra, hogy minimalizálják az optikai veszteségeket, amelyek befolyásolják a későbbi fotonátvitelt az UC Berkeley és a Berkeley Lab kvantumcsomópontjai között. Összességében a csapdába esett ionok és fotonok egy win-win-t jelentenek, az előbbiek biztosítják a stacionárius számítási qubiteket; az utóbbiak „repülő kommunikációs qubitekként” szolgálnak az elosztott kvantumcsomópontok összekapcsolására.

A kvantumfrekvencia-konverziós modul részletesebben a beépített integrált fotonikus technológiákat és az úgynevezett „különbségfrekvenciás folyamatot” használja ki. Ily módon egy bemeneti 854 nm-es foton (egy Ca⁺ ion) koherensen keveredik egy erős szivattyútérrel 1900 nm-en nemlineáris közegben, így 1550 nm-en kimenő távközlési fotont eredményez. "Létfontosságú, hogy ez a technika megőrzi a bemeneti fotonok kvantumállapotait, miközben magas konverziós hatékonyságot és alacsony zajszintet biztosít tervezett kísérleteinkhez" - mondja Häffner.

Ha két csomópont között összefonódás jön létre, a QUANT-NET csapata bemutathatja az elosztott kvantumszámítás alapvető építőelemét, amelyben az egyik csomópont kvantuminformációja vezérli a másik csomópont logikáját. Konkrétan az összefonódást és a klasszikus kommunikációt használják a kvantuminformációk teleportálására a vezérlő csomópontból a célcsomópontba, ahol a folyamat – például egy nem lokális, vezérelt NEM kvantumlogikai kapu – csak helyi műveletekkel hajtható végre.

Végezetül egy párhuzamos munkacsomag van folyamatban a kvantumhálózaton belüli „heterogenitás” hatásának feltárására – elismerve, hogy a kvantuminternet kialakulásának szakaszában valószínűleg többféle kvantumtechnológiát fognak bevetni (és így összekapcsolni egymással). Ebben a tekintetben a szilícium színcentrumokra támaszkodó szilárdtest-eszközök (rácshibák, amelyek 1300 nm körüli távközlési hullámhosszon optikai emissziót generálnak) profitálnak a szilícium nanogyártási technikák eredendő skálázhatóságából, miközben nagyfokú megkülönböztethetetlenséggel (koherenciával) bocsátanak ki egyedi fotonokat. ) szükséges a kvantumösszefonódáshoz.

„Első lépésként ebbe az irányba” – teszi hozzá Häffner –, azt tervezzük, hogy demonstráljuk a kvantumállapotú teleportációt egyetlen, a szilícium színközpontjából kibocsátott fotonból egy Ca-ba.⁺ qubit azáltal, hogy enyhíti a két kvantumrendszer közötti spektrális eltérés problémáját.”

A QUANT-NET ütemterve

Ahogy a QUANT-NET közeledik a középső pontjához, Monga, Häffner és munkatársai célja az, hogy egymástól függetlenül jellemezzék a különálló tesztrendszer-összetevők teljesítményét, mielőtt ezeket az elemeket egy működő kutatási tesztágyba integrálnák és hangolnák. „A hálózati rendszer alapelveit szem előtt tartva a hangsúlyt a kvantumhálózati tesztpad különböző elemeinek automatizálására is összpontosítjuk, amelyek általában manuálisan hangolhatók vagy kalibrálhatók laboratóriumi környezetben” – mondja Monga.

A QUANT-NET K+F prioritásainak összehangolása a világ más kvantumhálózati kezdeményezéseivel szintén kulcsfontosságú – bár a kollektív kutatási törekvés feltáró jellegéből adódóan valószínűleg eltérő, és talán összeegyeztethetetlen megközelítések lesznek a norma. „Egyelőre sok virágra van szükségünk, hogy virágozzon – jegyzi meg Monga –, hogy a legígéretesebb kvantumkommunikációs technológiákat, valamint a kapcsolódó hálózati vezérlőszoftvert és architektúrákat használhassuk.”

Hosszabb távon a Monga további DOE-finanszírozást szeretne biztosítani, hogy a QUANT-NET tesztrendszer skálázható legyen az elérés és az összetettség tekintetében. „Reméljük, hogy tesztágyas megközelítésünk lehetővé teszi a más kutatócsoportok és az ipar ígéretes kvantumtechnológiáinak könnyebb integrációját” – összegzi. „Ez viszont gyors prototípus-teszt-integrálási ciklust biztosít az innováció támogatására… és hozzájárul a klasszikus internettel együtt létező, méretezhető kvantuminternet felépítésének felgyorsult megértéséhez.”

További olvasnivaló

Inder Monga és mtsai. 2023 QUANT-NET: A kvantumhálózati kutatás tesztpadja telepített üvegszálon. QuNet '23, pp 31 – 37 (szeptember 10–142023; New York, NY, USA)

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/