QUANT-NET’s testbedinnovaties: een nieuwe kijk op het kwantumnetwerk – Physics World

Het huidige internet verspreidt klassieke bits en bytes aan informatie over mondiale, zelfs interstellaire afstanden. Het kwantuminternet van morgen zal daarentegen de verbinding, manipulatie en opslag op afstand van kwantuminformatie mogelijk maken – door verspreiding van kwantumverstrengeling met behulp van fotonen – over fysiek verre kwantumknooppunten binnen grootstedelijke, regionale en langeafstands optische netwerken. De kansen zijn overtuigend en komen nu al in zicht voor de wetenschap, de nationale veiligheid en de bredere economie.

Door gebruik te maken van de principes van de kwantummechanica – superpositie, verstrengeling en de ‘no-kloning’-stelling bijvoorbeeld – zullen kwantumnetwerken allerlei unieke toepassingen mogelijk maken die niet mogelijk zijn met klassieke netwerktechnologieën. Denk aan kwantumgecodeerde communicatiesystemen voor de overheid, de financiële sector, de gezondheidszorg en het leger; kwantumdetectie en metrologie met ultrahoge resolutie voor wetenschappelijk onderzoek en geneeskunde; en, uiteindelijk, de implementatie van grootschalige, cloudgebaseerde kwantumcomputingbronnen die veilig zijn verbonden via mondiale netwerken.

Op dit moment staan ​​kwantumnetwerken echter nog in de kinderschoenen, waarbij de onderzoeksgemeenschap, grote technologiebedrijven (bedrijven als IBM, Amazon, Google en Microsoft) en een golf van door durfkapitaal gefinancierde start-ups allemaal uiteenlopende R&D-trajecten volgen naar praktische functionaliteit en functionaliteit. implementatie. Een casestudy in dit verband is QUANT-NET, een vijfjarig R&D-initiatief ter waarde van 12.5 miljoen dollar dat wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), in het kader van het Advanced Scientific Computing Research-programma, met als doel een proof-of- principe kwantumnetwerk getest voor gedistribueerde kwantumcomputertoepassingen.

Het lab uit, het netwerk in

Gezamenlijk hebben de vier onderzoekspartners binnen het QUANT-NET consortium – Berkeley Lab (Berkeley, CA); Universiteit van Californië Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); en de Universiteit van Innsbruck (Oostenrijk) – proberen een gedistribueerd kwantumcomputernetwerk met drie knooppunten op te zetten tussen twee locaties (Berkeley Lab en UC Berkeley). Op deze manier zal elk van de kwantumknooppunten met elkaar worden verbonden via een kwantumverstrengelingscommunicatieschema via vooraf geïnstalleerde telecomvezels, waarbij de hele testbedinfrastructuur wordt beheerd door een op maat gemaakte softwarestack.

“Er zijn veel complexe uitdagingen als het gaat om het opschalen van het aantal qubits op een enkele kwantumcomputer”, zegt Indermohan (Inder) Monga, hoofdonderzoeker van QUANT-NET en directeur van de wetenschappelijke netwerkafdeling van Berkeley Lab en uitvoerend directeur van Energy. Sciences Network (ESnet), de krachtige netwerkgebruikersfaciliteit van het DOE (zie "ESnet: netwerken van grootschalige wetenschap"). ‘Maar als een grotere computer kan worden opgebouwd uit een netwerk van meerdere kleinere computers,’ voegt hij eraan toe, ‘kunnen we dan misschien de schaalvergroting van de kwantumcomputercapaciteit versnellen – meer qubits die in essentie achter elkaar werken – door kwantumverstrengeling over een vezel te verdelen? optische infrastructuur? Dat is de fundamentele vraag die we binnen QUANT-NET proberen te beantwoorden.”

Een andere motivatie voor Monga en collega's is om kwantumcommunicatietechnologieën “uit het laboratorium” te brengen naar echte netwerksystemen die gebruik maken van telecomvezels die al in de grond zijn ingezet. “De huidige kwantumnetwerksystemen zijn nog steeds in wezen natuurkundige experimenten ter grootte van een kamer of op tafel, verfijnd en beheerd door afgestudeerde studenten”, zegt Monga.

Een van de belangrijkste taken van het QUANT-NET-team is dan ook het demonstreren van in het veld inzetbare technologieën die na verloop van tijd 24/7 kunnen functioneren zonder tussenkomst van een operator. “Wat we willen doen is de softwarestack bouwen om alle technologieën op de fysieke laag te orkestreren en beheren”, voegt Monga toe. “Of in ieder geval een idee krijgen van hoe die softwarestack er in de toekomst uit zou moeten zien, zodat het genereren, distribueren en opslaan van hoogwaardige en betrouwbare verstrengeling op een efficiënte, betrouwbare, schaalbare en kosteneffectieve manier kan worden geautomatiseerd.”

Kwantumtechnologieën mogelijk maken

Als het QUANT-NET-eindspel bestaat uit het testen van de kandidaat-hardware- en softwaretechnologieën voor het kwantuminternet, is het vanuit natuurkundig perspectief leerzaam om de kernkwantumbouwstenen uit te pakken waaruit de netwerkknooppunten van het testbed bestaan ​​– namelijk trap-ion. kwantumcomputerprocessors; kwantumfrequentieconversiesystemen; en op kleurcentra gebaseerde siliciumbronnen met één foton.

Met betrekking tot de netwerkinfrastructuur is er al aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het ontwerpen en implementeren van testbedden. De QUANT-NET-testbedinfrastructuur is voltooid, inclusief glasvezelconstructie (5 km in omvang) tussen de kwantumknooppunten plus de inrichting van een speciale kwantumnetwerkhub in Berkeley Lab. De eerste ontwerpen voor de kwantumnetwerkarchitectuur en softwarestack zijn ook gereed.

De machinekamer van het QUANT-NET-project is de quantumcomputerprocessor met gevangen ionen, die afhankelijk is van de integratie van een zeer verfijnde optische holte met een nieuwe, op een chip gebaseerde val voor Ca⁺ ionenqubits. Deze qubits met gevangen ionen zullen verbinding maken via een speciaal kwantumkanaal over het netwerktestbed, waardoor verstrengeling over lange afstanden ontstaat tussen gedistribueerde kwantumcomputerknooppunten.

“Het aantonen van verstrengeling is van cruciaal belang omdat het een link biedt tussen de op afstand gelegen kwantumregisters die kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie tussen verschillende processors te teleporteren of om voorwaardelijke logica daartussen uit te voeren”, zegt Hartmut Häffner, hoofdonderzoeker van het QUANT-NET-project. met Monga, en wiens natuurkundig laboratorium op de UC Berkeley-campus het andere knooppunt in het testbed is. Minstens zo belangrijk is dat de rekenkracht van een gedistribueerde kwantumcomputer aanzienlijk schaalt met het aantal qubits dat daarin met elkaar kan worden verbonden.

Het verstrengelen van twee op afstand gelegen ionenvallen in het netwerk is echter verre van eenvoudig. Ten eerste moet de spin van elk ion verstrengeld zijn met de polarisatie van een uitgezonden foton uit zijn respectievelijke val (zie “Technologie en exploitatie van verstrengeling in het QUANT-NET-testbed”). De snelle en betrouwbare ion-fotonverstrengeling is in elk geval afhankelijk van enkele, nabij-infrarode fotonen die worden uitgezonden met een golflengte van 854 nm. Deze fotonen worden omgezet naar de 1550 nm telecom-C-band om glasvezelverliezen te minimaliseren die de daaropvolgende fotonentransmissie tussen de kwantumknooppunten van UC Berkeley en Berkeley Lab beïnvloeden. Alles bij elkaar vertegenwoordigen gevangen ionen en fotonen een win-winsituatie, waarbij de eerste de stationaire computerqubits leveren; de laatste dienen als ‘vliegende communicatiequbits’ om de gedistribueerde kwantumknooppunten met elkaar te verbinden.

Op een gedetailleerder niveau maakt de kwantumfrequentieconversiemodule gebruik van gevestigde geïntegreerde fotonische technologieën en het zogenaamde ‘verschilfrequentieproces’. Op deze manier wordt een ingevoerd foton van 854 nm (uitgezonden door een Ca⁺ ion) wordt coherent gemengd met een sterk pompveld bij 1900 nm in een niet-lineair medium, wat een uitgangstelecommunicatiefoton oplevert bij 1550 nm. “Van cruciaal belang is dat deze techniek de kwantumtoestanden van de ingevoerde fotonen behoudt en tegelijkertijd een hoge conversie-efficiëntie en een geluidsarme werking biedt voor onze geplande experimenten”, zegt Häffner.

Nu de verstrengeling tussen twee knooppunten tot stand is gebracht, kan het QUANT-NET-team vervolgens de fundamentele bouwsteen van gedistribueerde kwantumcomputing demonstreren, waarbij de kwantuminformatie in het ene knooppunt de logica in het andere bestuurt. In het bijzonder worden verstrengeling en klassieke communicatie gebruikt om kwantuminformatie van het controlerende knooppunt naar het doelknooppunt te teleporteren, waar het proces – zoals een niet-lokale, gecontroleerde NOT-kwantumlogische poort – vervolgens alleen met lokale bewerkingen kan worden uitgevoerd.

Ten slotte is er een parallel werkpakket aan de gang om de impact van ‘heterogeniteit’ binnen het kwantumnetwerk te onderzoeken – waarbij wordt erkend dat meerdere kwantumtechnologieën waarschijnlijk zullen worden ingezet (en dus met elkaar zullen worden gekoppeld) in de vormende stadia van het kwantuminternet. In dit opzicht profiteren solid-state apparaten die vertrouwen op siliciumkleurcentra (roosterdefecten die optische emissie genereren bij telecomgolflengten rond 1300 nm) van de inherente schaalbaarheid van siliciumnanofabricagetechnieken, terwijl ze afzonderlijke fotonen uitzenden met een hoge mate van niet-onderscheidbaarheid (coherentie ) vereist voor kwantumverstrengeling.

“Als eerste stap in deze richting,” voegt Häffner toe, “zijn we van plan de teleportatie van kwantumtoestanden te demonstreren van een enkel foton dat wordt uitgezonden door een siliciumkleurcentrum naar een Ca⁺ qubit door het probleem van de spectrale mismatch tussen deze twee kwantumsystemen te verlichten.”

De QUANT-NET-routekaart

Nu QUANT-NET zijn middenpunt nadert, is het doel van Monga, Häffner en collega's om de prestaties van afzonderlijke testbedcomponenten onafhankelijk te karakteriseren, voorafgaand aan de integratie en afstemming van deze elementen in een operationeel onderzoekstestbed. “Met het oog op de netwerksysteemprincipes zal onze focus ook liggen op het automatiseren van de verschillende elementen van een kwantumnetwerktestbed dat doorgaans handmatig kan worden afgestemd of gekalibreerd in een laboratoriumomgeving”, zegt Monga.

Het afstemmen van QUANT-NET R&D-prioriteiten op andere kwantumnetwerkinitiatieven over de hele wereld is ook van cruciaal belang – hoewel verschillende en misschien onverenigbare benaderingen waarschijnlijk de norm zullen zijn gezien het verkennende karakter van dit collectieve onderzoek. ‘We hebben voorlopig veel bloemen nodig om te bloeien,’ merkt Monga op, ‘zodat we ons kunnen verdiepen in de meest veelbelovende kwantumcommunicatietechnologieën en de bijbehorende netwerkcontrolesoftware en -architecturen.’

Op de langere termijn wil Monga aanvullende DOE-financiering veiligstellen, zodat het QUANT-NET-testbed kan worden opgeschaald in termen van bereik en complexiteit. “We hopen dat onze testbedaanpak een eenvoudigere integratie van veelbelovende kwantumtechnologieën van andere onderzoeksteams en de industrie mogelijk zal maken”, besluit hij. “Dit zal op zijn beurt zorgen voor een snelle prototype-test-integratiecyclus om innovatie te ondersteunen… en zal bijdragen aan een versneld begrip van hoe een schaalbaar kwantuminternet kan worden gebouwd dat naast het klassieke internet kan bestaan.”

Verdere lezing

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: een testbed voor onderzoek naar kwantumnetwerken via geïmplementeerde glasvezel. QuNet '23, pp 31-37 (10 september-142023; New York, NY, VS)

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/