Le innovazioni del banco di prova di QUANT-NET: reinventare la rete quantistica – Physics World

Internet di oggi distribuisce bit e byte di informazioni classici su distanze globali, persino interstellari. L’Internet quantistica di domani, d’altra parte, consentirà la connessione remota, la manipolazione e l’archiviazione di informazioni quantistiche – attraverso la distribuzione dell’entanglement quantistico utilizzando fotoni – attraverso nodi quantistici fisicamente distanti all’interno di reti ottiche metropolitane, regionali e a lungo raggio. Le opportunità sono convincenti e stanno già emergendo per la scienza, la sicurezza nazionale e l’economia in generale.

Sfruttando i principi della meccanica quantistica – sovrapposizione, entanglement e il teorema del “no-cloning”, per esempio – le reti quantistiche consentiranno tutti i tipi di applicazioni uniche che non sono possibili con le tecnologie di rete classiche. Pensa agli schemi di comunicazione crittografati quantistici per il governo, la finanza, la sanità e l’esercito; rilevamento quantistico e metrologia ad altissima risoluzione per la ricerca scientifica e la medicina; e, in ultima analisi, l’implementazione di risorse di calcolo quantistico su larga scala e basate sul cloud, collegate in modo sicuro attraverso le reti globali.

Al momento, però, le reti quantistiche sono ancora agli inizi, con la comunità di ricerca, le grandi aziende tecnologiche (aziende come IBM, Amazon, Google e Microsoft) e un’ondata di start-up finanziate da venture capital che perseguono diversi percorsi di ricerca e sviluppo verso funzionalità pratiche e implementazione. Un caso di studio a questo proposito è QUANT-NET, un'iniziativa quinquennale di ricerca e sviluppo da 12.5 milioni di dollari, sostenuta dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), nell'ambito del programma Advanced Scientific Computing Research, con l'obiettivo di costruire una prova di principio della rete quantistica testato per applicazioni di calcolo quantistico distribuito.

Fuori dal laboratorio, nella rete

Collettivamente, i quattro partner di ricerca all'interno del consorzio QUANT-NET: Berkeley Lab (Berkeley, CA); Università della California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, California); e l’Università di Innsbruck (Austria) – stanno cercando di creare una rete di calcolo quantistico distribuita a tre nodi tra due siti (Berkeley Lab e UC Berkeley). In questo modo, ciascuno dei nodi quantistici sarà collegato tramite uno schema di comunicazione a entanglement quantistico su fibra di telecomunicazioni preinstallata, con tutta l’infrastruttura del banco di prova gestita da uno stack software personalizzato.

"Ci sono molte sfide complesse quando si tratta di aumentare il numero di qubit su un singolo computer quantistico", afferma Indermohan (Inder) Monga, ricercatore principale di QUANT-NET e direttore della divisione di reti scientifiche presso Berkeley Lab e direttore esecutivo di Energy Sciences Network (ESnet), la struttura utente di rete ad alte prestazioni del DOE (vedi “ESnet: networking scientifico su larga scala”). “Ma se un computer più grande potesse essere costruito da una rete di più computer più piccoli”, aggiunge, “potremmo forse accelerare il ridimensionamento della capacità di calcolo quantistico – essenzialmente più qubit che lavorano in tandem – distribuendo l’entanglement quantistico su una fibra? infrastruttura ottica? Questa è la domanda fondamentale a cui stiamo cercando di rispondere all’interno di QUANT-NET”.

Un’altra motivazione per Monga e colleghi è quella di portare le tecnologie di comunicazione quantistica “fuori dal laboratorio” in sistemi di rete del mondo reale che sfruttano le fibre di telecomunicazione già dispiegate nel terreno. “Gli attuali sistemi di rete quantistica sono ancora essenzialmente esperimenti di fisica delle dimensioni di una stanza o da tavolo, messi a punto e gestiti da studenti laureati”, afferma Monga.

Pertanto, uno dei compiti principali del team QUANT-NET è dimostrare le tecnologie implementabili sul campo che, nel tempo, saranno in grado di funzionare 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX senza l'intervento dell'operatore. “Quello che vogliamo fare è costruire lo stack software per orchestrare e gestire tutte le tecnologie del livello fisico”, aggiunge Monga. "O almeno avere un'idea di come dovrebbe apparire lo stack software in futuro in modo da automatizzare la generazione, la distribuzione e l'archiviazione di entanglement ad alta velocità e alta fedeltà in modo efficiente, affidabile, scalabile ed economico."

Abilitazione delle tecnologie quantistiche

Se l'obiettivo finale di QUANT-NET è quello di testare su strada le tecnologie hardware e software candidate per l'Internet quantistica, è istruttivo dal punto di vista della fisica scompattare gli elementi costitutivi quantistici fondamentali che costituiscono i nodi di rete del banco di prova, vale a dire gli ioni intrappolati processori per calcolo quantistico; sistemi quantistici di conversione della frequenza; e sorgenti di silicio a singolo fotone basate sul centro del colore.

Per quanto riguarda l’infrastruttura di rete, sono già stati compiuti progressi significativi nella progettazione e nell’implementazione del banco di prova. L'infrastruttura del banco di prova QUANT-NET è completa, inclusa la costruzione di fibre (5 km di estensione) tra i nodi quantistici e l'allestimento di un hub di rete quantistica dedicato presso il Berkeley Lab. Sono inoltre in atto i progetti iniziali per l’architettura della rete quantistica e lo stack software.

La sala macchine del progetto QUANT-NET è il processore di calcolo quantistico a ioni intrappolati, che si basa sull'integrazione di una cavità ottica ad alta finezza con una nuova trappola basata su chip per Ca⁺ qubit ionici. Questi qubit di ioni intrappolati si connetteranno tramite un canale quantistico dedicato attraverso il banco di prova della rete, creando a sua volta un entanglement a lunga distanza tra i nodi di calcolo quantistico distribuiti.

“Dimostrare l’entanglement è fondamentale in quanto fornisce un collegamento tra i registri quantistici remoti che può essere utilizzato per teletrasportare informazioni quantistiche tra diversi processori o per eseguire la logica condizionale tra di loro”, afferma Hartmut Häffner, ricercatore principale del progetto QUANT-NET. con Monga, e il cui laboratorio di fisica nel campus della UC Berkeley è l’altro nodo del banco di prova. Altrettanto importante, la potenza di calcolo di un computer quantistico distribuito aumenta in modo significativo con il numero di qubit che possono essere interconnessi al suo interno.

Tuttavia, intrecciare due trappole ioniche remote attraverso la rete è tutt’altro che semplice. Innanzitutto, lo spin di ogni ione deve essere correlato con la polarizzazione di un fotone emesso dalla sua rispettiva trappola (vedi “Ingegnerizzazione e sfruttamento dell'entanglement nel banco di prova QUANT-NET”). L’entanglement ione-fotone ad alta velocità e ad alta fedeltà in ciascun caso si basa su singoli fotoni nel vicino infrarosso emessi a una lunghezza d’onda di 854  nm. Questi fotoni vengono convertiti nella banda C delle telecomunicazioni da 1550 nm per ridurre al minimo le perdite nella fibra ottica che influiscono sulla successiva trasmissione di fotoni tra i nodi quantistici dell'UC Berkeley e del Berkeley Lab. Presi insieme, ioni e fotoni intrappolati rappresentano una soluzione vantaggiosa per tutti, poiché i primi forniscono i qubit di calcolo stazionari; questi ultimi fungono da “qubit di comunicazione volante” per collegare i nodi quantistici distribuiti.

A un livello più granulare, il modulo di conversione quantistica della frequenza sfrutta tecnologie fotoniche integrate consolidate e il cosiddetto “processo di differenza di frequenza”. In questo modo, un fotone in ingresso da 854 nm (emesso da un Ca⁺ ione) viene miscelato coerentemente con un forte campo di pompa a 1900   nm in un mezzo non lineare, producendo un fotone per telecomunicazioni in uscita a 1550   nm. «È fondamentale che questa tecnica preservi gli stati quantistici dei fotoni in ingresso fornendo allo stesso tempo elevate efficienze di conversione e funzionamento a basso rumore per i nostri esperimenti pianificati», afferma Häffner.

Una volta stabilito l'entanglement tra due nodi, il team QUANT-NET può quindi dimostrare l'elemento fondamentale dell'informatica quantistica distribuita, in cui l'informazione quantistica in un nodo controlla la logica nell'altro. In particolare, l’entanglement e la comunicazione classica vengono utilizzati per teletrasportare le informazioni quantistiche dal nodo di controllo al nodo target, dove il processo – come una porta logica quantistica NOT controllata e non locale – può quindi essere eseguito solo con operazioni locali.

Infine, è in corso un pacchetto di lavoro parallelo per esplorare l’impatto dell’“eterogeneità” all’interno della rete quantistica, riconoscendo che è probabile che più tecnologie quantistiche vengano implementate (e quindi interfacciate tra loro) nelle fasi formative dell’Internet quantistica. A questo proposito, i dispositivi a stato solido che si basano sui centri di colore del silicio (difetti reticolari che generano emissione ottica a lunghezze d'onda delle telecomunicazioni intorno a 1300  nm) beneficiano della scalabilità intrinseca delle tecniche di nanofabbricazione del silicio, emettendo al contempo singoli fotoni con un elevato livello di indistinguibilità (coerenza ) richiesto per l'entanglement quantistico.

“Come primo passo in questa direzione”, aggiunge Häffner, “prevediamo di dimostrare il teletrasporto dello stato quantistico da un singolo fotone emesso da un centro di colore di silicio a un nucleo di Ca⁺ qubit alleviando il problema della mancata corrispondenza spettrale tra questi due sistemi quantistici”.

La tabella di marcia di QUANT-NET

Mentre QUANT-NET si avvicina al suo punto intermedio, l'obiettivo di Monga, Häffner e colleghi è caratterizzare le prestazioni dei componenti discreti del banco di prova in modo indipendente, prima dell'integrazione e della messa a punto di questi elementi in un banco di prova di ricerca operativa. “Tenendo a mente i principi del sistema di rete, il nostro focus sarà anche sull’automazione dei vari elementi di un banco di prova di rete quantistica che in genere potrebbe essere messo a punto o calibrato manualmente in un ambiente di laboratorio”, afferma Monga.

Anche l’allineamento delle priorità di ricerca e sviluppo di QUANT-NET con altre iniziative di rete quantistica in tutto il mondo è fondamentale, anche se approcci diversi e forse incompatibili saranno probabilmente la norma data la natura esplorativa di questo sforzo di ricerca collettiva. “Abbiamo bisogno che molti fiori sboccino per ora”, osserva Monga, “in modo da poterci concentrare sulle tecnologie di comunicazione quantistica più promettenti e sui software e sulle architetture di controllo della rete associati”.

A lungo termine, Monga vuole assicurarsi ulteriori finanziamenti DOE, in modo tale che il banco di prova QUANT-NET possa scalare in termini di portata e complessità. «Ci ​​auguriamo che il nostro approccio sul banco di prova consenta una più facile integrazione di promettenti tecnologie quantistiche provenienti da altri gruppi di ricerca e dall’industria», conclude. “Ciò a sua volta fornirà un ciclo rapido prototipo-test-integrazione per supportare l’innovazione… e contribuirà a una comprensione accelerata di come costruire un’Internet quantistica scalabile che coesista con l’Internet classica”.

Ulteriori letture

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: un banco di prova per la ricerca sulle reti quantistiche su fibra distribuita. QuNet '23, pp 31-37 (10-142023 settembre XNUMX; New York, NY, USA)

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• PlatoData.Network Generativo verticale Ai. Potenzia te stesso. Accedi qui.
• PlatoAiStream. Intelligenza Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• PlatoneESG. Carbonio, Tecnologia pulita, Energia, Ambiente, Solare, Gestione dei rifiuti. Accedi qui.
• Platone Salute. Intelligence sulle biotecnologie e sulle sperimentazioni cliniche. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/