Inovasi QUANT-NET yang telah diuji: menata ulang jaringan kuantum – Dunia Fisika

Internet saat ini mendistribusikan bit dan byte informasi klasik melalui jarak global, bahkan antarbintang. Internet kuantum masa depan, di sisi lain, akan memungkinkan koneksi jarak jauh, manipulasi, dan penyimpanan informasi kuantum – melalui distribusi keterikatan kuantum menggunakan foton – melintasi node kuantum yang jauh secara fisik dalam jaringan optik metropolitan, regional, dan jarak jauh. Peluang yang ada sangat menarik dan sudah mulai terlihat bagi ilmu pengetahuan, keamanan nasional, dan perekonomian yang lebih luas.

Dengan memanfaatkan prinsip-prinsip mekanika kuantum – superposisi, keterjeratan, dan teorema “tanpa kloning”, misalnya – jaringan kuantum akan memungkinkan segala jenis aplikasi unik yang tidak mungkin dilakukan dengan teknologi jaringan klasik. Pikirkan skema komunikasi terenkripsi kuantum untuk pemerintahan, keuangan, layanan kesehatan, dan militer; penginderaan kuantum dan metrologi resolusi sangat tinggi untuk penelitian ilmiah dan kedokteran; dan, pada akhirnya, penerapan sumber daya komputasi kuantum berbasis cloud dalam skala besar yang terhubung dengan aman di seluruh jaringan global.

Namun, saat ini, jaringan kuantum masih dalam tahap awal, dengan komunitas riset, perusahaan teknologi besar (perusahaan seperti IBM, Amazon, Google, dan Microsoft) dan gelombang perusahaan rintisan yang dibiayai oleh ventura, semuanya mengejar beragam jalur penelitian dan pengembangan menuju fungsionalitas praktis dan penerapan. Studi kasus dalam hal ini adalah QUANT-NET, inisiatif Penelitian dan Pengembangan senilai $12.5 juta selama lima tahun yang didukung oleh Departemen Energi AS (DOE), di bawah program Penelitian Komputasi Ilmiah Lanjutan, dengan tujuan membangun bukti bukti prinsip jaringan kuantum diuji untuk aplikasi komputasi kuantum terdistribusi.

Keluar dari lab, masuk ke jaringan

Secara kolektif, empat mitra penelitian dalam konsorsium QUANT-NET – Berkeley Lab (Berkeley, CA); Universitas California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, California); dan Universitas Innsbruck (Austria) – berupaya membangun jaringan komputasi kuantum terdistribusi tiga node antara dua lokasi (Berkeley Lab dan UC Berkeley). Dengan cara ini, masing-masing node kuantum akan dihubungkan melalui skema komunikasi keterjeratan kuantum melalui serat telekomunikasi yang sudah diinstal sebelumnya, dengan semua infrastruktur pengujian dikelola oleh tumpukan perangkat lunak yang dibuat khusus.

“Ada banyak tantangan kompleks dalam meningkatkan jumlah qubit pada satu komputer kuantum,” kata Indermohan (Inder) Monga, peneliti utama QUANT-NET dan direktur divisi jaringan ilmiah di Berkeley Lab dan direktur eksekutif Energy Sciences Network (ESnet), fasilitas pengguna jaringan berkinerja tinggi milik DOE (lihat “ESnet: jaringan sains skala besar”). “Tetapi jika komputer yang lebih besar dapat dibangun dari jaringan beberapa komputer yang lebih kecil,” tambahnya, “dapatkah kita mempercepat penskalaan kemampuan komputasi kuantum – pada dasarnya lebih banyak qubit yang bekerja bersama-sama – dengan mendistribusikan keterikatan kuantum melalui jaringan serat- infrastruktur optik? Itulah pertanyaan mendasar yang kami coba jawab dalam QUANT-NET.”

Motivasi lain bagi Monga dan rekannya adalah untuk membawa teknologi komunikasi kuantum “keluar dari laboratorium” ke dalam sistem jaringan dunia nyata yang mengeksploitasi serat telekomunikasi yang sudah diterapkan di lapangan. “Sistem jaringan kuantum saat ini pada dasarnya masih berupa eksperimen fisika seukuran ruangan atau di atas meja, yang disempurnakan dan dikelola oleh mahasiswa pascasarjana,” kata Monga.

Oleh karena itu, salah satu tugas utama tim QUANT-NET adalah mendemonstrasikan teknologi yang dapat diterapkan di lapangan yang, seiring berjalannya waktu, akan mampu beroperasi 24/7 tanpa campur tangan operator. “Apa yang ingin kami lakukan adalah membangun tumpukan perangkat lunak untuk mengatur dan mengelola semua teknologi lapisan fisik,” tambah Monga. “Atau setidaknya dapatkan gambaran tentang seperti apa tumpukan perangkat lunak tersebut di masa depan sehingga dapat mengotomatiskan pembuatan, distribusi, dan penyimpanan keterikatan tingkat tinggi dan fidelitas tinggi dengan cara yang efisien, andal, terukur, dan hemat biaya.”

Mengaktifkan teknologi kuantum

Jika tujuan akhir QUANT-NET adalah untuk menguji calon teknologi perangkat keras dan perangkat lunak untuk internet kuantum, maka dari sudut pandang fisika, akan bermanfaat jika kita menguraikan blok-blok penyusun kuantum inti yang membentuk simpul-simpul jaringan tempat pengujian – yaitu, ion yang terperangkap prosesor komputasi kuantum; sistem konversi frekuensi kuantum; dan sumber silikon foton tunggal berbasis pusat warna.

Sehubungan dengan infrastruktur jaringan, sudah ada kemajuan signifikan dalam desain dan implementasi testbed. Infrastruktur pengujian QUANT-NET telah selesai, termasuk konstruksi serat (luasnya 5 km) antara node kuantum ditambah pemasangan hub jaringan kuantum khusus di Berkeley Lab. Desain awal untuk arsitektur jaringan kuantum dan tumpukan perangkat lunak juga telah diterapkan.

Ruang mesin proyek QUANT-NET adalah prosesor komputasi kuantum ion terperangkap, yang mengandalkan integrasi rongga optik berkekuatan tinggi dengan perangkap berbasis chip baru untuk Ca⁺ qubit ion. Qubit ion yang terperangkap ini akan terhubung melalui saluran kuantum khusus di seluruh jaringan yang diuji – pada gilirannya, menciptakan keterikatan jarak jauh antara node komputasi kuantum terdistribusi.

“Mendemonstrasikan keterjeratan adalah kuncinya karena menyediakan tautan antara register kuantum jarak jauh yang dapat digunakan untuk memindahkan informasi kuantum antara prosesor yang berbeda atau untuk mengeksekusi logika kondisional di antara mereka,” kata Hartmut Häffner, yang merupakan peneliti utama proyek QUANT-NET dengan Monga, dan yang laboratorium fisikanya di kampus UC Berkeley adalah titik lain di tempat pengujian. Yang tidak kalah pentingnya, kekuatan komputasi komputer kuantum terdistribusi meningkat secara signifikan seiring dengan jumlah qubit yang dapat dihubungkan di dalamnya.

Namun, untuk melibatkan dua perangkap ion jarak jauh di seluruh jaringan bukanlah hal yang mudah. Pertama, putaran setiap ion harus terjerat dengan polarisasi foton yang dipancarkan dari perangkapnya masing-masing (lihat “Merekayasa dan mengeksploitasi keterjeratan di testbed QUANT-NET”). Keterikatan ion-foton dengan kecepatan tinggi dan ketelitian tinggi dalam setiap kasus bergantung pada foton inframerah dekat yang dipancarkan pada panjang gelombang 854 nm. Foton-foton ini diubah menjadi C-band telekomunikasi 1550 nm untuk meminimalkan kehilangan serat optik yang berdampak pada transmisi foton selanjutnya antara node kuantum UC Berkeley dan Berkeley Lab. Secara keseluruhan, ion dan foton yang terperangkap mewakili win-win, dengan yang pertama menyediakan qubit komputasi stasioner; yang terakhir berfungsi sebagai “qubit komunikasi terbang” untuk menghubungkan node kuantum terdistribusi.

Pada tingkat yang lebih terperinci, modul konversi frekuensi kuantum mengeksploitasi teknologi fotonik terintegrasi yang sudah mapan dan apa yang disebut “proses perbedaan frekuensi”. Dengan cara ini, foton masukan 854 nm (dipancarkan dari Ca⁺ ion) dicampur secara koheren dengan medan pompa yang kuat pada 1900 nm dalam media nonlinier, menghasilkan foton keluaran telekomunikasi pada 1550 nm. “Yang terpenting, teknik ini mempertahankan keadaan kuantum foton masukan sekaligus memberikan efisiensi konversi yang tinggi dan pengoperasian dengan noise rendah untuk eksperimen yang kami rencanakan,” kata Häffner.

Dengan adanya keterjeratan antara dua node, tim QUANT-NET kemudian dapat mendemonstrasikan blok bangunan dasar komputasi kuantum terdistribusi, di mana informasi kuantum di satu node mengontrol logika di node lainnya. Secara khusus, keterjeratan dan komunikasi klasik digunakan untuk menteleportasikan informasi kuantum dari node pengendali ke node target, di mana prosesnya – seperti gerbang logika kuantum BUKAN yang dikontrol dan non-lokal – kemudian dapat dieksekusi dengan operasi lokal saja.

Yang terakhir, paket kerja paralel sedang dilakukan untuk mengeksplorasi dampak “heterogenitas” dalam jaringan kuantum – dengan mengakui bahwa berbagai teknologi kuantum kemungkinan akan diterapkan (dan karenanya dihubungkan satu sama lain) dalam tahap-tahap pembentukan internet kuantum. Dalam hal ini, perangkat solid-state yang mengandalkan pusat warna silikon (cacat kisi yang menghasilkan emisi optik pada panjang gelombang telekomunikasi sekitar 1300 nm) mendapat manfaat dari skalabilitas yang melekat pada teknik nanofabrikasi silikon, sekaligus memancarkan foton tunggal dengan tingkat ketidakmampuan membedakan (koherensi) yang tinggi. ) diperlukan untuk keterikatan kuantum.

“Sebagai langkah pertama ke arah ini,” tambah Häffner, “kami berencana untuk mendemonstrasikan teleportasi keadaan kuantum dari satu foton yang dipancarkan dari pusat warna silikon ke Ca⁺ qubit dengan mengurangi masalah ketidaksesuaian spektral antara dua sistem kuantum ini.”

Peta jalan QUANT-NET

Ketika QUANT-NET mendekati titik tengahnya, tujuan Monga, Häffner dan rekannya adalah untuk mengkarakterisasi kinerja komponen pengujian terpisah secara independen, sebelum integrasi dan penyetelan elemen-elemen ini ke dalam pengujian penelitian operasional. “Dengan mempertimbangkan prinsip-prinsip sistem jaringan, fokus kami juga akan berada pada otomatisasi berbagai elemen pengujian jaringan kuantum yang biasanya dapat disetel atau dikalibrasi secara manual di lingkungan laboratorium,” kata Monga.

Menyelaraskan prioritas penelitian dan pengembangan QUANT-NET dengan inisiatif jaringan kuantum lainnya di seluruh dunia juga penting – meskipun pendekatannya berbeda, dan mungkin tidak kompatibel, mungkin akan menjadi hal yang biasa mengingat sifat eksplorasi dari upaya penelitian kolektif ini. “Kita membutuhkan banyak bunga untuk mekar saat ini,” kata Monga, “sehingga kita dapat memanfaatkan teknologi komunikasi kuantum yang paling menjanjikan serta perangkat lunak dan arsitektur kontrol jaringan yang terkait.”

Dalam jangka panjang, Monga ingin mendapatkan pendanaan tambahan dari DOE, sehingga pengujian QUANT-NET dapat ditingkatkan dalam hal jangkauan dan kompleksitas. “Kami berharap pendekatan uji coba kami akan memungkinkan integrasi yang lebih mudah dari teknologi kuantum yang menjanjikan dari tim peneliti dan industri lain,” simpulnya. “Hal ini pada gilirannya akan menyediakan siklus prototipe-pengujian-integrasi yang cepat untuk mendukung inovasi…dan akan berkontribusi pada percepatan pemahaman tentang cara membangun internet kuantum yang dapat diperluas dan berdampingan dengan internet klasik.”

Bacaan lebih lanjut

Di dalam Monga et al. QUANT-NET 2023: Tempat pengujian untuk penelitian jaringan kuantum melalui serat yang diterapkan. QuNet '23, pp 31 – 37 (10–142023 September XNUMX; New York, NY, AS)

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/