חידושי המבחן של QUANT-NET: דמיון מחדש של הרשת הקוונטית - עולם הפיזיקה

חידושי המבחן של QUANT-NET: דמיון מחדש של הרשת הקוונטית - עולם הפיזיקה

חותמת זמן: 23 בדצמבר, 2023 5:00

קונסורציום המחקר QUANT-NET בונה את ערכת המבחן הראשונה של הרשת הקוונטית ליישומי מחשוב קוונטי מבוזרים בארה"ב. ג'ו מקנטי מבקר במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) בקליפורניה כדי לבדוק התקדמות בטכנולוגיות הקוונטיות המאפשרות

חוקרי QUANT-NET
הנדסת קוונטים משמאל לימין, חוקרי QUANT-NET Erhan Saglamyurek, Hartmut Häffner, Inder Monga ו- Wenji Wu מדגימים את המעבד הקוונטי שלהם מלכודת יונים, תת-מערכת מרכזית במבחן הרשת המחברת את מעבדת הפיזיקה של Häffner של UC Berkeley למעבדת ברקלי. QUANT-NET הוא מאמץ קולקטיבי רחב יותר, עם תרומות ליבה אחרות מ-Maria Spiropulu של Caltech (ייצוב קיטוב והמרת תדר קוונטי); Alp Sipahigil של UC Berkeley ו-Berkeley Lab Thomas Schenkel (עובדים במשותף על מרכזי צבעי סיליקון כמקור לקיוביטים של פוטון בודד); טרייסי נורת'רופ של אוניברסיטת אינסברוק (התמקדה במלכודות יונים ביעילות משופרת); ו-Berkeley Lab של Lavanya Ramakrishnan, עזרא קיסל וחברי צוות נוספים שתורמים לתוכנת בקרת ותזמור רשת בזמן אמת. (באדיבות: בארט נאגל צילום)

האינטרנט של היום מפיץ סיביות ובייטים קלאסיים של מידע על פני מרחקים גלובליים, אפילו בין-כוכביים. האינטרנט הקוונטי של המחר, לעומת זאת, יאפשר חיבור מרחוק, מניפולציה ואחסון של מידע קוונטי - באמצעות הפצה של הסתבכות קוונטית באמצעות פוטונים - על פני צמתים קוונטיים מרוחקים פיזית בתוך רשתות אופטיות מטרופוליניות, אזוריות וארוכות טווח. ההזדמנויות משכנעות וכבר באות לידי ביטוי עבור המדע, הביטחון הלאומי והכלכלה הרחבה יותר.

באמצעות ניצול עקרונות מכניקת הקוונטים - סופרפוזיציה, הסתבכות ומשפט "ללא שיבוט", למשל - רשתות קוונטיות יאפשרו כל מיני יישומים ייחודיים שאינם אפשריים בטכנולוגיות רשת קלאסיות. חשבו על תוכניות תקשורת מוצפנות קוונטית עבור הממשלה, האוצר, שירותי הבריאות והצבא; חישה קוונטית ומטרולוגיה ברזולוציה גבוהה במיוחד למחקר מדעי ורפואה; ובסופו של דבר, הטמעה של משאבי מחשוב קוונטי מבוססי ענן בקנה מידה גדול המקושרים בצורה מאובטחת בין רשתות גלובליות.

עם זאת, נכון לעכשיו, רשתות קוונטיות עדיין בחיתוליהן, עם קהילת המחקר, הטכנולוגיה הגדולה (חברות כמו IBM, אמזון, גוגל ומיקרוסופט) וגל של סטארט-אפים הממומנים על ידי סיכון, כולם רודפים אחר מסלולי מו"פ מגוונים לקראת פונקציונליות מעשית. יישום. מקרה בוחן בהקשר זה הוא QUANT-NET, יוזמת מו"פ של 12.5 מיליון דולר, חמש שנים, הנתמכת על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), במסגרת תוכנית מחקר מחשוב מדעי מתקדם, במטרה לבנות הוכחה ל- רשת קוונטית עקרונית נבדקה עבור יישומי מחשוב קוונטי מבוזרים.

מחוץ למעבדה, לתוך הרשת

ביחד, ארבעת שותפי המחקר בקונסורציום QUANT-NET - מעבדת ברקלי (ברקלי, קליפורניה); אוניברסיטת קליפורניה ברקלי (UC ברקלי, קליפורניה); קלטק (פסדינה, קליפורניה); ואוניברסיטת אינסברוק (אוסטריה) - מבקשות להקים רשת מחשוב קוונטי מבוזרת בת שלושה צמתים בין שני אתרים (מעבדת ברקלי ו-UC ברקלי). בדרך זו, כל אחד מהצמתים הקוונטיים יהיה מקושר באמצעות ערכת תקשורת של הסתבכות קוונטית על גבי סיב טלקום מותקן מראש, כאשר כל תשתית המבחן מנוהלת על ידי ערימת תוכנה מותאמת אישית.

הגדרה אופטית במעבדת הפיזיקה של UC ברקלי
טכנולוגיות מאפשרות מערך אופטי במעבדת הפיזיקה של UC ברקלי שנועד להחליף את המשרעת, התדירות והפאזה של אור הלייזר המשמש במעבדים הקוונטיים של QUANT-NET מלכודת יונים. (באדיבות: בארט נאגל צילום)

"ישנם אתגרים מורכבים רבים בכל הנוגע להגדלת מספר הקיוביטים במחשב קוונטי בודד", אומר אינדרמוהאן (אינדר) מונגה, חוקר ראשי של QUANT-NET ומנהל חטיבת הרשתות המדעיות במעבדת ברקלי ומנכ"ל אנרגיה Sciences Network (ESnet), מתקן משתמש הרשת בעל הביצועים הגבוהים של ה-DOE (ראה "ESnet: מדע בקנה מידה גדול ברשת"). "אבל אם ניתן לבנות מחשב גדול יותר מרשת של מספר מחשבים קטנים יותר," הוא מוסיף, "האם נוכל אולי לעקוב במהירות אחר קנה המידה של יכולת המחשוב הקוונטי - יותר קיוביטים שפועלים במקביל בעצם - על ידי הפצת הסתבכות קוונטית על גבי סיב- תשתית אופטית? זו השאלה הבסיסית שאנחנו מנסים לענות ב-QUANT-NET."

ESnet: חיבור מדע בקנה מידה גדול ברחבי ארה"ב ומחוצה לה

ESnet מספקת חיבורי רשת ושירותים ברוחב פס גבוה למדענים רב-תחומיים על פני יותר מ-50 אתרי מחקר של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) - כולל מערכת המעבדה הלאומית כולה, משאבי מחשוב-העל הקשורים לה ומתקנים בקנה מידה גדול - כמו גם הצצה עם יותר מ-270 רשתות מחקר ומסחר ברחבי העולם.

אינדר מונגה
אפקטים ברשת אינדר מונגה, חוקר ראשי של QUANT-NET ומנכ"ל ESnet. (באדיבות: בארט נאגל צילום)

ממומן על ידי משרד המדע DOE, ESnet הוא מתקן משתמש ייעודי של DOE המנוהל ומופעל על ידי חטיבת הרשתות המדעיות במעבדת ברקלי. "אנחנו חושבים על ESnet כמערכת מחזור הנתונים של ה-DOE", אומר אינדר מונגה, מנהל ESnet וראש פרויקט QUANT-NET. "הצוותים שלנו עובדים בשיתוף פעולה הדוק עם חוקרי DOE ועם קהילת הרשתות הבינלאומית, כמו גם עם התעשייה כדי לפתח תוכנת קוד פתוח ופרויקטים טכניים שיתופיים שיאיצו את המדע בקנה מידה גדול."

המיקום של QUANT-NET בתחומו של מונגה אינו מקרי, ומנצל את הידע והמומחיות המצטברים בתחום של צוותי ההנדסה של ESnet בנושא ארכיטקטורות רשת, מערכות ותוכנה. "מטרת QUANT-NET היא רשת קוונטית 24/7 המחליפה הסתבכות ומתווכת על ידי מישור בקרה אוטומטי", מציינת Monga. "אנחנו לא מתכוונים להגיע לשם בהיקף של פרויקט המו"פ המצומצם הזה, אבל לכאן אנחנו הולכים מנקודת מבט של חזון".

מניע נוסף למונגה ועמיתיו הוא להוציא טכנולוגיות תקשורת קוונטית "מהמעבדה" למערכות רשת בעולם האמיתי המנצלות סיבי טלקום שכבר פרוסים באדמה. "מערכות רשת קוונטיות נוכחיות הן עדיין בעצם ניסויי פיזיקה בגודל חדר או שולחן, מכוונים ומנוהלים על ידי סטודנטים לתארים מתקדמים", אומר מונגה.

ככזה, אחת המשימות העיקריות של צוות QUANT-NET היא להדגים טכנולוגיות הניתנות לפריסה בשטח, שלאורך זמן, יוכלו לפעול 24/7 ללא התערבות מפעיל. "מה שאנחנו רוצים לעשות זה לבנות את ערימת התוכנה כדי לתזמר ולנהל את כל טכנולוגיות השכבה הפיזית", מוסיפה Monga. "או לפחות קבל מושג איך ערימת התוכנה צריכה להיראות בעתיד כדי להפוך את היצירה, ההפצה והאחסון של הסתבכות בקצב גבוה ובנאמנות בצורה יעילה, אמינה, ניתנת להרחבה וחסכונית."

הפעלת טכנולוגיות קוונטיות

אם משחק הקצה של QUANT-NET נועד לבחון את טכנולוגיות החומרה והתוכנה המועמדות עבור האינטרנט הקוונטי, זה מאלף מנקודת מבט פיזיקלית לפרק את אבני הבניין הקוונטיות המרכיבות את צמתי הרשת של ערכת הבדיקה - כלומר, יון לכוד מעבדי מחשוב קוונטי; מערכות המרת תדרים קוונטיים; ומקורות סיליקון חד-פוטוניים מבוססי-צבע.

בהתייחס לתשתית הרשת, כבר חלה התקדמות משמעותית בתכנון והטמעה של מיטות מבחן. תשתית המבחן של QUANT-NET הושלמה, כולל בניית סיבים (בהיקף של 5 ק"מ) בין הצמתים הקוונטיים בתוספת התאמה של רכזת רשת קוונטית ייעודית במעבדת ברקלי. תכנונים ראשוניים לארכיטקטורת הרשת הקוונטית ולמחסנית התוכנה קיימים גם כן.

מלכודת יונים ממוקמת בתוך מערכת הוואקום שלו (עליון), עם תקריב של מלכודת המותקנת על לוח מעגלים מודפס
לכודים מלכודת יונים שנמצאת בתוך מערכת הוואקום שלה (למעלה), עם תקריב של מלכודת המותקנת על לוח מעגלים מודפס (תחתון). מתחים המופעלים על אלקטרודות המלכודת מגבילים יוני Ca+ בערך 100-200 מיקרון מעל פני השבב. (באדיבות: בארט נאגל צילום)

חדר המנועים של פרויקט QUANT-NET הוא מעבד המחשוב הקוונטי לכוד יונים, המסתמך על שילוב של חלל אופטי עדין במיוחד עם מלכודת חדשה מבוססת שבב עבור Ca.+ קיוביטים של יונים. הקיוביטים הלכודים האלה יתחברו דרך ערוץ קוונטי ייעודי על פני ערכת הבדיקה של הרשת - בתורם, ויצרו הסתבכות למרחקים ארוכים בין צמתי מחשוב קוונטי מבוזרים.

"הדגמת הסתבכות היא מפתח מכיוון שהיא מספקת קישור בין האוגרים הקוונטיים המרוחקים שניתן להשתמש בהם לטלפורטור מידע קוונטי בין מעבדים שונים או לביצוע היגיון מותנה ביניהם", אומר הרטמוט הפנר, שהוא חוקר ראשי בפרויקט QUANT-NET עם מונגה, ושמעבדת הפיזיקה שלה בקמפוס UC ברקלי היא הצומת השני במבחן. לא פחות חשוב, כוח המחשוב של מחשב קוונטי מבוזר מתרחב באופן משמעותי עם מספר הקיוביטים שניתן לחבר בתוכו.

עם זאת, לסבך שתי מלכודות יונים מרוחקות ברחבי הרשת הוא רחוק מלהיות פשוט. ראשית, הספין של כל יון חייב להיות מסובך עם הקיטוב של פוטון הנפלט מהמלכודת שלו (ראה "הנדסה וניצול הסתבכות במבחן QUANT-NET"). ההסתבכות של יון-פוטון בקצב גבוה ובנאמנות גבוהה מסתמכת בכל מקרה על פוטונים בודדים, קרובים לאינפרא אדום, הנפלטים באורך גל של 854 ננומטר. פוטונים אלה מומרים ל-1550 ננומטר טלקום C-band כדי למזער הפסדי סיבים אופטיים המשפיעים על שידור פוטונים שלאחר מכן בין הצמתים הקוונטיים של UC Berkeley ו-Berkeley Lab. ביחד, יונים ופוטונים לכודים מייצגים win-win, כשהראשונים מספקים את קיוביטי המחשוב הנייחים; האחרונים משמשים כ"קיוביטים של תקשורת מעופפת" לקישור בין הצמתים הקוונטיים המבוזרים.

ברמה פרטנית יותר, מודול המרת התדר הקוונטי מנצל טכנולוגיות פוטוניות משולבות מבוססות ואת מה שמכונה "תהליך תדר הבדל". בדרך זו, פוטון קלט 854 nm (נפלט מ- Ca+ יון) מעורבב באופן קוהרנטי עם שדה משאבה חזק ב-1900 ננומטר במדיום לא ליניארי, ומניב פוטון טלקום פלט ב-1550 ננומטר. "באופן מכריע, טכניקה זו משמרת את המצבים הקוונטיים של פוטוני הקלט תוך מתן יעילות המרה גבוהה ופעולת רעש נמוכה עבור הניסויים המתוכננים שלנו", אומר הפנר.

עם הסתבכות שנוצרה בין שני צמתים, צוות QUANT-NET יכול להדגים את אבן הבניין הבסיסית של מחשוב קוונטי מבוזר, שבו המידע הקוונטי בצומת אחד שולט בלוגיקה בשני. בפרט, הסתבכות ותקשורת קלאסית משמשות לטלפורטור מידע קוונטי מהצומת השולט אל צומת היעד, כאשר התהליך - כגון שער לוגי לא קוונטי מבוקר לא מקומי - יכול לאחר מכן להתבצע עם פעולות מקומיות בלבד.

הנדסה וניצול הסתבכות קוונטית במבחן QUANT-NET

חידושי המבחן של QUANT-NET: דמיון מחדש של הרשת הקוונטית - Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. חיפוש אנכי. איי.

הקמת הסתבכות יון-יון בין שני צמתים קוונטיים לכודים מסתמכת על הכנה סינכרונית של הסתבכות יון-פוטון (בדרגות הספין והקיטוב של החופש) בתוך כל צומת רשת (1). המחזור מתחיל באתחול מצב יון, ולאחר מכן פולס לייזר מפעיל פליטת פוטון קרוב לאינפרא אדום בחלל האופטי של כל מלכודת יונים. לאחר המרת תדר קוונטי (2), פוטוני הטלקום המתקבלים (מסובכים עם היונים המתאימים) נשלחים לעבר צומת שנקרא Bell State Measurement (BSM) במטרה ליצור הסתבכות יון-יון באמצעות מדידות על מצבי הקיטוב של שני פוטונים (3). התהליך חוזר על עצמו (4) עד ששני הפוטונים מועברים בהצלחה דרך הסיבים שלהם ונרשמים במשותף בצומת BSM, המבשר על יצירת הסתבכות יונים-יון (5). הסתבכות זו מאוחסנת עד שהרשת הקוונטית מבקשת להשתמש בה כמשאב - למשל, כדי להעביר מידע קוונטי באמצעות טלפורטציה.

לבסוף, חבילת עבודה מקבילה יוצאת לדרך כדי לחקור את ההשפעה של "הטרוגניות" בתוך הרשת הקוונטית - מתוך הכרה כי טכנולוגיות קוונטיות מרובות צפויות להיפרס (ולכן מתממשקות זו עם זו) בשלבי העיצוב של האינטרנט הקוונטי. בהקשר זה, התקני מצב מוצק המסתמכים על מרכזי צבע סיליקון (פגמי סריג שיוצרים פליטה אופטית באורכי גל טלקום בסביבות 1300 ננומטר) נהנים מההרחבה המובנית של טכניקות ננו-ייצור סיליקון, תוך פליטת פוטונים בודדים עם רמה גבוהה של אי-הבחנה. ) נדרש להסתבכות קוונטית.

"כצעד ראשון בכיוון הזה", מוסיף הפנר, "אנו מתכננים להדגים טלפורטציה של מצב קוונטי מפוטון בודד הנפלט ממרכז צבע סיליקון ל-Ca.+ קיוביט על ידי הקלה על סוגיית חוסר ההתאמה הספקטרלית בין שתי המערכות הקוונטיות הללו."

מפת הדרכים של QUANT-NET

כאשר QUANT-NET מתקרב לנקודת האמצע שלה, המטרה של Monga, Häffner ועמיתיו היא לאפיין את הביצועים של רכיבי מבחן בדידים באופן עצמאי, לפני שילוב וכוונון של אלמנטים אלה למצע מחקר תפעולי. "בהתחשב בעקרונות מערכת הרשת, ההתמקדות שלנו תהיה גם באוטומציה של המרכיבים השונים של מבחן רשת קוונטית שבדרך כלל עשוי להיות מכוון או מכוונן באופן ידני בסביבת מעבדה", אומר Monga.

יישור סדרי העדיפויות של QUANT-NET R&D עם יוזמות רשת קוונטיות אחרות ברחבי העולם הוא גם חיוני - אם כי גישות שונות, ואולי לא תואמות, יהיו כנראה הנורמה בהתחשב באופי החקרני של מאמץ המחקר הקולקטיבי הזה. "אנחנו צריכים פרחים רבים כדי לפרוח לעת עתה", מציין מונגה, "כדי שנוכל להתבסס על טכנולוגיות התקשורת הקוונטית המבטיחות ביותר והתוכנות והארכיטקטורות הקשורות לשליטה ברשת."

לטווח ארוך יותר, מונגה רוצה להבטיח מימון נוסף של DOE, כך שמיטת המבחן של QUANT-NET יכולה להתרחב במונחים של טווח הגעה ומורכבות. "אנו מקווים שגישת המבחן שלנו תאפשר אינטגרציה קלה יותר של טכנולוגיות קוונטיות מבטיחות מצוותי מחקר ותעשייה אחרים", הוא מסכם. "זה בתורו יספק מחזור אב-טיפוס מהיר - בדיקה - אינטגרציה לתמיכה בחדשנות... ויתרום להבנה מואצת של איך לבנות אינטרנט קוונטי ניתן להרחבה שמתקיים במקביל לאינטרנט הקלאסי."

לקריאה נוספת

אינדר מונגה et al. 2023 QUANT-NET: ערכת ניסוי למחקר רשת קוונטית על סיבים פרוסים. QuNet '23, pp 31-37 (10-142023 בספטמבר; ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב)

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה