QUANT-NET のテストベッドのイノベーション: 量子ネットワークの再考 – Physics World

今日のインターネットは、古典的なビットやバイトの情報を地球規模の距離、さらには星間距離を越えて配信します。一方、明日の量子インターネットでは、大都市圏、地域圏、長距離光ネットワーク内の物理的に離れた量子ノード間で、光子を使用した量子もつれの分散を通じて、量子情報のリモート接続、操作、保存が可能になります。このチャンスは魅力的であり、科学、国家安全保障、経済全般にわたってすでに視野に入ってきています。

量子ネットワークでは、重ね合わせ、もつれ、「非クローン化」定理などの量子力学の原理を活用することで、古典的なネットワーク技術では不可能だったあらゆる種類のユニークなアプリケーションが可能になります。政府、金融、医療、軍事向けの量子暗号化通信スキームを考えてみましょう。科学研究と医療のための超高解像度量子センシングと計測。そして最終的には、グローバル ネットワーク全体で安全にリンクされた大規模なクラウドベースの量子コンピューティング リソースの実装です。

しかし現時点では、量子ネットワークはまだ初期段階にあり、研究コミュニティ、大手テクノロジー企業（IBM、Amazon、Google、Microsoft などの企業）、そしてベンチャー資金提供を受けた新興企業の波はすべて、実用的な機能と実用化に向けた多様な研究開発経路を追求しています。実装。この点に関するケーススタディは、先進科学コンピューティング研究プログラムの下で米国エネルギー省 (DOE) の支援を受けている 12.5 万ドルの XNUMX 年間の研究開発イニシアチブである QUANT-NET です。分散量子コンピューティング アプリケーション向けにテストされた原理量子ネットワーク。

研究室からネットワークへ

QUANT-NET コンソーシアム内の XNUMX つの研究パートナーを総称して、Berkeley Lab (カリフォルニア州バークレー)。カリフォルニア大学バークレー校 (カリフォルニア州カリフォルニア大学バークレー校)。カリフォルニア工科大学 (カリフォルニア州パサデナ);とインスブルック大学 (オーストリア) は、XNUMX つの拠点 (バークレー研究所とカリフォルニア大学バークレー校) 間に XNUMX ノードの分散量子コンピューティング ネットワークを確立しようとしています。このようにして、各量子ノードは、事前に設置された通信ファイバーを介した量子もつれ通信方式を介してリンクされ、すべてのテストベッド インフラストラクチャはカスタム構築されたソフトウェア スタックによって管理されます。

「単一の量子コンピューター上の量子ビットの数をスケールアップすることになると、多くの複雑な課題があります」と、バークレー研究所の QUANT-NET 主任研究者兼科学ネットワーキング部門ディレクター兼エネルギー部門エグゼクティブ ディレクターの Indermohan (Inder) Monga 氏は述べています。 Sciences Network (ESnet)、DOE の高性能ネットワーク ユーザー施設 (「ESnet: 大規模科学のネットワーク化」を参照)。 「しかし、より大型のコンピュータが複数の小型コンピュータのネットワークから構築できるのであれば、量子もつれをファイバー上に分散させることで、量子コンピューティング能力の拡張（本質的にはより多くの量子ビットが連携して動作する）を迅速に進めることができるかもしれない」と彼は付け加えた。光インフラ？それが私たちがQUANT-NET内で答えようとしている根本的な質問です。」

Monga 氏らのもう XNUMX つの動機は、量子通信技術を「実験室の外」で、すでに地上に敷設されている通信ファイバーを利用する現実世界のネットワーキング システムに導入することです。 「現在の量子ネットワーキング システムは、依然として基本的に部屋サイズまたは卓上での物理実験であり、大学院生によって微調整および管理されています」とモンガ氏は言います。

したがって、QUANT-NET チームの主なタスクの 24 つは、オペレータの介入なしで 7 時間 XNUMX 日稼働できるようになる現場導入可能なテクノロジを実証することです。 「私たちがやりたいのは、すべての物理層テクノロジーを調整および管理するためのソフトウェア スタックを構築することです」と Monga 氏は付け加えます。 「あるいは少なくとも、効率的で信頼性が高く、スケーラブルで費用対効果の高い方法で高速かつ高忠実度のエンタングルメントの生成、配布、ストレージを自動化するために、ソフトウェア スタックが将来どのようになるべきかについてある程度のアイデアを得る必要があります。」

量子テクノロジーの実現

QUANT-NET の最終目標が、量子インターネットの候補となるハードウェアおよびソフトウェア テクノロジのロードテストである場合、テストベッドのネットワーク ノードを構成するコアの量子ビルディング ブロック、つまりトラップ イオンを開梱することは、物理学の観点から有益です。量子コンピューティングプロセッサ。量子周波数変換システム。カラーセンターベースの単一光子シリコンソース。

ネットワーク インフラストラクチャに関しては、テストベッドの設計と実装においてすでに大きな進歩が見られます。 QUANT-NET テストベッド インフラストラクチャは、量子ノード間のファイバー構築 (延長 5 km) に加え、バークレー研究所の専用量子ネットワーキング ハブの取り付けを含めて完成しています。量子ネットワーク アーキテクチャとソフトウェア スタックの初期設計も整っています。

QUANT-NET プロジェクトのエンジンルームは、トラップされたイオン量子コンピューティング プロセッサです。これは、高フィネス光キャビティと新しいチップベースの Ca トラップの統合に依存しています。⁺ イオン量子ビット。これらのトラップされたイオン量子ビットは、専用の量子チャネルを介してネットワーク テストベッド全体に接続され、分散量子コンピューティング ノード間に長距離エンタングルメントが作成されます。

「エンタングルメントの実証は、異なるプロセッサ間で量子情報をテレポートしたり、プロセッサ間で条件付きロジックを実行したりするために使用できるリモート量子レジスタ間のリンクを提供するため、重要です」と、QUANT-NET プロジェクトの主任研究員であるハルトムット・ヘフナー氏は述べています。モンガ氏と協力しており、カリフォルニア大学バークレー校キャンパスにあるモンガ氏の物理学研究室がテストベッドのもう XNUMX つのノードです。同様に重要なことは、分散量子コンピュータの計算能力は、内部で相互接続できる量子ビットの数に応じて大幅に増加することです。

ただし、ネットワーク全体で 854 つのリモート イオン トラップを絡ませるのは決して簡単ではありません。まず、各イオンのスピンは、それぞれのトラップから放出された光子の偏光ともつれなければなりません (「QUANT-NET テストベッドでのもつれのエンジニアリングと利用」を参照)。いずれの場合も、高速かつ忠実度の高いイオンと光子のもつれは、波長 1550 nm で放出される単一の近赤外光子に依存しています。これらの光子は XNUMX nm の通信 C バンドに変換され、カリフォルニア大学バークレー校とバークレー研究所の量子ノード間の後続の光子伝送に影響を与える光ファイバーの損失を最小限に抑えます。捕捉されたイオンと光子を総合すると、双方にとって有利な関係を表し、前者は定常的なコンピューティング量子ビットを提供します。後者は、分散量子ノードをリンクするための「フライング通信量子ビット」として機能します。

より詳細なレベルでは、量子周波数変換モジュールは確立された統合フォトニック技術といわゆる「差周波数プロセス」を利用します。このようにして、入力された 854 nm 光子 (Ca から放出される)⁺ イオン) は、非線形媒質内で 1900 nm の強力なポンプ場とコヒーレントに混合され、1550 nm で出力通信光子を生成します。 「重要なのは、この技術が入力光子の量子状態を保存しながら、計画した実験に高い変換効率と低ノイズ動作を提供することです」とヘフナー氏は言います。

XNUMX つのノード間でエンタングルメントが確立されると、QUANT-NET チームは、一方のノードの量子情報がもう一方のノードのロジックを制御する分散量子コンピューティングの基本的な構成要素を実証できます。特に、エンタングルメントと古典的通信は、量子情報を制御ノードからターゲット ノードにテレポートするために使用され、非ローカルで制御された NOT 量子論理ゲートなどのプロセスをローカル操作のみで実行できます。

最後に、量子ネットワーク内の「異質性」の影響を調査するための並行作業パッケージが進行中です。これは、量子インターネットの形成段階で複数の量子テクノロジーが展開される (したがって相互に接続される) 可能性が高いことを認識しています。この点において、シリコンのカラーセンター（1300 nm付近の通信波長で発光を生成する格子欠陥）に依存するソリッドステートデバイスは、シリコンナノ加工技術の固有のスケーラビリティの恩恵を受けると同時に、高レベルの区別不能性（コヒーレンス）で単一光子を放出します。 ) 量子もつれに必要です。

「この方向への最初のステップとして、シリコンの色中心から放出された単一光子からCaへの量子状態テレポーテーションを実証する予定です」とヘフナー氏は付け加えた。⁺ これら XNUMX つの量子システム間のスペクトル不一致の問題を軽減することで量子ビットを実現します。」

QUANT-NET のロードマップ

QUANT-NET が中間点に近づくにつれて、Monga 氏、Häffner 氏らの目標は、運用研究テストベッドにこれらの要素を統合して調整する前に、個別のテストベッド コンポーネントのパフォーマンスを個別に特性評価することです。 「ネットワーク システムの原理を念頭に置き、通常はラボ環境で手動で調整または校正される量子ネットワーク テストベッドのさまざまな要素を自動化することにも私たちは重点を置きます」とモンガ氏は言います。

QUANT-NET の研究開発の優先順位を世界中の他の量子ネットワーキングの取り組みと調整することも重要です。ただし、この集合的な研究活動の探索的な性質を考慮すると、異なるアプローチ、おそらく互換性のないアプローチが標準となるでしょう。モンガ氏は、「最も有望な量子通信技術とそれに関連するネットワーク制御ソフトウェアとアーキテクチャに焦点を当てるためには、今のところ多くの花を咲かせる必要がある」と述べている。

長期的には、Monga は QUANT-NET テストベッドが到達範囲と複雑さの点で拡張できるように、DOE の追加資金を確保したいと考えています。 「私たちのテストベッドアプローチにより、他の研究チームや業界の有望な量子技術をより簡単に統合できるようになることを願っています」と彼は締めくくった。 「これにより、イノベーションをサポートするための迅速なプロトタイプ、テスト、統合のサイクルが提供され、古典的なインターネットと共存するスケーラブルな量子インターネットを構築する方法についての理解の加速に貢献します。」

参考文献

インダーモンガ ら 2023 QUANT-NET: 導入されたファイバーを介した量子ネットワーキング研究のためのテストベッド。 QuNet '23、 pp 31〜37 (10 年 142023 月 XNUMX 日～XNUMX 日、米国ニューヨーク州ニューヨーク)

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