QUANT-NET의 테스트베드 혁신: 양자 네트워크 재구상 – Physics World

오늘날의 인터넷은 전 세계, 심지어 성간 거리까지 전통적인 비트와 바이트의 정보를 배포합니다. 반면, 미래의 양자 인터넷은 대도시, 지역 및 장거리 광 네트워크 내에서 물리적으로 멀리 떨어져 있는 양자 노드 전반에 걸쳐 광자를 사용한 양자 얽힘의 배포를 통해 양자 정보의 원격 연결, 조작 및 저장을 가능하게 합니다. 과학, 국가 안보 및 더 넓은 경제에 대한 기회는 강력하며 이미 가시화되고 있습니다.

예를 들어 중첩, 얽힘 및 "복제 금지" 정리와 같은 양자 역학의 원리를 활용함으로써 양자 네트워크는 기존 네트워킹 기술로는 불가능했던 모든 종류의 고유한 응용을 가능하게 합니다. 정부, 금융, 의료 및 군대를 위한 양자 암호화 통신 체계를 생각해 보세요. 과학 연구 및 의학을 위한 초고해상도 양자 감지 및 계측; 그리고 궁극적으로 글로벌 네트워크에 안전하게 연결된 대규모 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 리소스를 구현합니다.

그러나 현재 양자 네트워크는 연구 커뮤니티, 거대 기술 기업(IBM, Amazon, Google 및 Microsoft와 같은 회사) 및 벤처 자금을 지원받는 스타트업이 모두 실용적인 기능과 기술을 향한 다양한 R&D 경로를 추구하는 초기 단계에 있습니다. 구현. 이와 관련된 사례 연구는 고급 과학 컴퓨팅 연구 프로그램에 따라 미국 에너지부(DOE)가 지원하는 12.5만 달러, XNUMX년 R&D 이니셔티브인 QUANT-NET입니다. 분산 양자 컴퓨팅 애플리케이션을 위해 테스트된 원칙 양자 네트워크입니다.

연구실 밖, 네트워크로

QUANT-NET 컨소시엄 내의 XNUMX개 연구 파트너 – Berkeley Lab(캘리포니아주 버클리); 캘리포니아 버클리 대학교(캘리포니아주 UC 버클리); Caltech(캘리포니아주 패서디나); 및 인스브루크 대학(오스트리아)은 두 사이트(Berkeley Lab 및 UC Berkeley) 간에 XNUMX노드 분산 양자 컴퓨팅 네트워크를 구축하려고 합니다. 이러한 방식으로 각 양자 노드는 사전 설치된 통신 광섬유를 통한 양자 얽힘 통신 체계를 통해 연결되며 모든 테스트베드 인프라는 맞춤형 소프트웨어 스택으로 관리됩니다.

"단일 양자 컴퓨터에서 큐비트 수를 확장하는 데는 많은 복잡한 문제가 있습니다"라고 QUANT-NET 수석 조사관이자 Berkeley Lab의 과학 네트워킹 부문 이사이자 Energy의 전무 이사인 Indermohan (Inder) Monga는 말합니다. 과학 네트워크(ESnet)는 DOE의 고성능 네트워크 사용자 시설입니다(“ESnet: 대규모 과학 네트워킹” 참조). "그러나 여러 개의 작은 컴퓨터로 구성된 네트워크에서 더 큰 컴퓨터를 구축할 수 있다면, 양자 얽힘을 광섬유에 분산시켜 양자 컴퓨팅 기능(기본적으로 더 많은 큐비트가 함께 작동)의 확장을 빠르게 추적할 수 있을까요?" 광학 인프라? 이것이 우리가 QUANT-NET 내에서 답하려고 하는 근본적인 질문입니다.”

ESnet: 미국 전역과 그 외 지역의 대규모 과학 네트워킹

ESnet은 전체 국립 연구소 시스템, 관련 슈퍼컴퓨팅 리소스 및 대규모 시설을 포함하여 미국 에너지부(DOE)의 50개 이상의 연구 사이트에 걸쳐 다양한 분야의 과학자들에게 고대역폭 네트워크 연결 및 서비스를 제공합니다. 전 세계적으로 270개 이상의 연구 및 상업 네트워크를 보유하고 있습니다.

DOE Office of Science의 자금 지원을 받는 ESnet은 Berkeley Lab의 과학 네트워킹 부서에서 관리하고 운영하는 지정된 DOE 사용자 시설입니다. ESnet 전무이사이자 QUANT-NET 프로젝트 책임자인 Inder Monga는 "우리는 ESnet을 DOE의 데이터 순환 시스템으로 생각합니다."라고 말합니다. "우리 팀은 대규모 과학을 가속화할 오픈 소스 소프트웨어 및 공동 기술 프로젝트를 개발하기 위해 DOE 연구원, 국제 네트워킹 커뮤니티 및 업계와 긴밀히 협력합니다."

Monga의 소관 내에서 QUANT-NET을 포지셔닝하는 것은 우연이 아니며 네트워크 아키텍처, 시스템 및 소프트웨어에 대한 ESnet 엔지니어링 팀의 축적된 도메인 지식과 전문 지식을 활용합니다. "QUANT-NET 목표는 자동화된 제어 평면에 의해 중재되고 얽힘을 교환하는 연중무휴 양자 네트워크입니다."라고 Monga는 말합니다. "우리는 이 제한된 R&D 프로젝트의 범위에 도달할 수는 없지만 비전 관점에서 우리가 가고 있는 곳입니다."

Monga와 동료들의 또 다른 동기는 이미 지상에 배치된 통신 섬유를 활용하는 실제 네트워킹 시스템에 양자 통신 기술을 "연구실 외부"로 가져오는 것입니다. "현재의 양자 네트워킹 시스템은 여전히 ​​본질적으로 방 크기 또는 탁상용 물리학 실험이며, 대학원생이 미세 조정하고 관리합니다."라고 Monga는 말합니다.

따라서 QUANT-NET 팀의 주요 업무 중 하나는 시간이 지남에 따라 운영자 개입 없이 연중무휴로 작동할 수 있는 현장 배포 가능 기술을 시연하는 것입니다. "우리가 원하는 것은 모든 물리 계층 기술을 조율하고 관리하기 위한 소프트웨어 스택을 구축하는 것입니다."라고 Monga는 덧붙입니다. "또는 적어도 효율적이고 신뢰할 수 있으며 확장 가능하고 비용 효율적인 방식으로 고속 및 충실도 얽힘 생성, 배포 및 저장을 자동화하기 위해 소프트웨어 스택이 미래에 어떤 모습이어야 하는지에 대한 아이디어를 얻으십시오."

양자 기술 활성화

QUANT-NET 최종 게임이 양자 인터넷을 위한 후보 하드웨어 및 소프트웨어 기술을 로드 테스트하는 것이라면, 테스트베드의 네트워크 노드를 구성하는 핵심 양자 빌딩 블록, 즉 트랩 이온(trapped-ion)을 풀어내는 것이 물리학적 관점에서 유익합니다. 양자 컴퓨팅 프로세서; 양자 주파수 변환 시스템; 색상 중심 기반의 단일 광자 실리콘 소스.

네트워킹 인프라와 관련하여 테스트베드 설계 및 구현에서는 이미 상당한 진전이 있었습니다. 양자 노드 사이의 광섬유 구성(5km 범위)과 Berkeley Lab의 전용 양자 네트워킹 허브 설치를 포함하여 QUANT-NET 테스트베드 인프라가 완성되었습니다. 양자 네트워크 아키텍처와 소프트웨어 스택에 대한 초기 설계도 준비되어 있습니다.

QUANT-NET 프로젝트의 엔진룸은 이온 트랩 양자 컴퓨팅 프로세서로, Ca에 대한 새로운 칩 기반 트랩과 고급 광학 공동의 통합을 기반으로 합니다.⁺ 이온 큐비트. 이러한 포획된 이온 큐비트는 네트워크 테스트베드 전체의 전용 양자 채널을 통해 연결되어 분산된 양자 컴퓨팅 노드 간에 장거리 얽힘을 생성합니다.

QUANT-NET 프로젝트의 수석 조사관인 Hartmut Häffner는 "서로 다른 프로세서 간에 양자 정보를 순간 이동하거나 프로세서 간에 조건부 논리를 실행하는 데 사용할 수 있는 원격 양자 레지스터 간의 링크를 제공하므로 얽힘을 입증하는 것이 중요합니다."라고 말합니다. Monga와 함께 UC Berkeley 캠퍼스에 있는 물리학 실험실이 테스트베드의 다른 노드입니다. 마찬가지로 중요한 점은 분산형 양자 컴퓨터의 컴퓨팅 성능이 상호 연결될 수 있는 큐비트 수에 따라 크게 확장된다는 점입니다.

그러나 네트워크를 통해 두 개의 원격 이온 트랩을 얽히게 하는 것은 간단하지 않습니다. 첫째, 각 이온의 스핀은 해당 트랩에서 방출된 광자의 극성과 얽혀야 합니다(“QUANT-NET 테스트베드의 얽힘 엔지니어링 및 활용” 참조). 각각의 경우 고속, 고충실도 이온-광자 얽힘은 854nm의 파장에서 방출되는 단일 근적외선 광자에 의존합니다. 이러한 광자는 1550nm 통신 C-밴드로 변환되어 UC Berkeley와 Berkeley Lab 양자 노드 간의 후속 광자 전송에 영향을 미치는 광섬유 손실을 최소화합니다. 갇힌 이온과 광자는 함께 윈윈(win-win)을 나타내며, 전자는 고정 컴퓨팅 큐비트를 제공합니다. 후자는 분산된 양자 노드를 연결하기 위한 "비행 통신 큐비트" 역할을 합니다.

보다 세부적인 수준에서 양자 주파수 변환 모듈은 확립된 통합 광자 기술과 소위 "차이 주파수 프로세스"를 활용합니다. 이러한 방식으로 입력 854 nm 광자(Ca에서 방출됨)⁺ 이온)은 비선형 매질에서 1900nm의 강한 펌프장과 일관되게 혼합되어 1550nm에서 출력 통신 광자를 생성합니다. "결정적으로 이 기술은 입력 광자의 양자 상태를 보존하는 동시에 계획된 실험에 대해 높은 변환 효율성과 저잡음 작동을 제공합니다"라고 Häffner는 말합니다.

두 노드 사이에 얽힘이 설정되면 QUANT-NET 팀은 한 노드의 양자 정보가 다른 노드의 논리를 제어하는 ​​분산 양자 컴퓨팅의 기본 구성 요소를 시연할 수 있습니다. 특히 얽힘과 고전적 통신은 제어 노드에서 대상 노드로 양자 정보를 순간 이동하는 데 사용됩니다. 여기서 비로컬, 제어되는 NOT 양자 논리 게이트와 같은 프로세스는 로컬 작업으로만 실행될 수 있습니다.

마지막으로, 양자 네트워크 내에서 "이질성"의 영향을 탐색하기 위한 병렬 작업 패키지가 진행 중입니다. 이는 양자 인터넷의 형성 단계에서 여러 양자 기술이 배포(따라서 서로 인터페이스)될 가능성이 있음을 인정합니다. 이와 관련하여, 실리콘 색상 중심(약 1300nm의 통신 파장에서 광학 방출을 생성하는 격자 결함)에 의존하는 고체 장치는 실리콘 나노제조 기술의 고유한 확장성의 이점을 누리는 동시에 높은 수준의 구별 불가능성(일관성)으로 단일 광자를 방출합니다. ) 양자 얽힘에 필요합니다.

Häffner는 “이 방향의 첫 번째 단계로 실리콘 색상 센터에서 방출된 단일 광자에서 Ca로 양자 상태 순간 이동을 시연할 계획입니다.⁺ 두 양자 시스템 사이의 스펙트럼 불일치 문제를 완화함으로써 큐비트를 구현합니다.”

QUANT-NET 로드맵

QUANT-NET이 중간 지점에 접근함에 따라 Monga, Häffner 및 동료들의 목표는 이러한 요소를 운영 연구 테스트베드에 통합하고 조정하기 전에 개별 테스트베드 구성 요소의 성능을 독립적으로 특성화하는 것입니다. Monga는 “네트워크 시스템 원리를 염두에 두고 일반적으로 실험실 환경에서 수동으로 조정하거나 보정할 수 있는 양자 네트워크 테스트베드의 다양한 요소를 자동화하는 데 중점을 둘 것입니다.”라고 말합니다.

QUANT-NET R&D 우선순위를 전 세계의 다른 양자 네트워킹 이니셔티브와 일치시키는 것도 중요합니다. 비록 이러한 집단 연구 노력의 탐구적 성격을 고려할 때 서로 다르고 호환되지 않을 수도 있는 접근 방식이 아마도 표준이 될 것입니다. Monga는 "가장 유망한 양자 통신 기술과 관련 네트워크 제어 소프트웨어 및 아키텍처를 확보하려면 현재로서는 많은 꽃이 피어야 합니다."라고 말합니다.

장기적으로 Monga는 QUANT-NET 테스트베드가 범위와 복잡성 측면에서 확장될 수 있도록 추가 DOE 자금을 확보하기를 원합니다. "우리는 우리의 테스트베드 접근 방식이 다른 연구 팀과 업계의 유망 양자 기술을 더 쉽게 통합할 수 있기를 바랍니다."라고 그는 결론을 내립니다. "이는 결국 혁신을 지원하기 위한 신속한 프로토타입-테스트-통합 주기를 제공할 것이며, 기존 인터넷과 공존하는 확장 가능한 양자 인터넷을 구축하는 방법에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것입니다."

추가 읽기

인더 몬가 et al. 2023 QUANT-NET: 배포된 광섬유를 통한 양자 네트워킹 연구를 위한 테스트베드입니다. 큐넷 '23, pp 31-37 (10년 142023월 XNUMX일~XNUMX일; 미국 뉴욕주 뉴욕)

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