QUANT-NETs testbed-innovasjoner: reimagining av kvantenettverket – Physics World

Dagens internett distribuerer klassiske biter og bytes med informasjon over globale, til og med interstellare, avstander. Morgendagens kvanteinternett, derimot, vil muliggjøre fjerntilkobling, manipulering og lagring av kvanteinformasjon – gjennom distribusjon av kvanteforviklinger ved hjelp av fotoner – på tvers av fysisk fjerne kvantenoder innenfor storby-, regionale og langdistanse optiske nettverk. Mulighetene er overbevisende og kommer allerede til syne for vitenskap, nasjonal sikkerhet og den bredere økonomien.

Ved å utnytte kvantemekanikkens prinsipper - superposisjon, sammenfiltring og "ikke-kloning"-teoremet, for eksempel - vil kvantenettverk muliggjøre alle slags unike applikasjoner som ikke er mulig med klassiske nettverksteknologier. Tenk kvantekrypterte kommunikasjonsordninger for myndigheter, finans, helsevesen og militæret; ultrahøyoppløselig kvantesensor og metrologi for vitenskapelig forskning og medisin; og, til syvende og sist, implementering av skybaserte kvantedataressurser i stor skala som er koblet sikkert på tvers av globale nettverk.

Akkurat nå er kvantenettverk fortsatt i sin spede begynnelse, med forskningsmiljøet, storteknologi (selskaper som IBM, Amazon, Google og Microsoft) og en bølge av venture-finansierte oppstartsbedrifter som alle følger ulike FoU-veier mot praktisk funksjonalitet og gjennomføring. En casestudie i denne forbindelse er QUANT-NET, et femårig FoU-initiativ på 12.5 millioner dollar som støttes av US Department of Energy (DOE), under Advanced Scientific Computing Research-programmet, med mål om å konstruere et bevis på- prinsipielt kvantenettverk testet for distribuerte kvantedatabehandlingsapplikasjoner.

Ut av laboratoriet, inn i nettverket

Til sammen, de fire forskningspartnerne i QUANT-NET-konsortiet – Berkeley Lab (Berkeley, CA); University of California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); og University of Innsbruck (Østerrike) – søker å etablere et distribuert kvantedatanettverk med tre noder mellom to steder (Berkeley Lab og UC Berkeley). På denne måten vil hver av kvantenodene kobles sammen via et kvantesammenfiltringskommunikasjonsskjema over forhåndsinstallert telekomfiber, med all testbed-infrastrukturen administrert av en spesialbygd programvarestabel.

"Det er mange komplekse utfordringer når det gjelder å skalere opp antall qubits på en enkelt kvantedatamaskin," sier Indermohan (Inder) Monga, QUANT-NET-hovedetterforsker og direktør for den vitenskapelige nettverksdivisjonen ved Berkeley Lab og administrerende direktør for Energy Sciences Network (ESnet), DOEs høyytelsesnettverksbrukeranlegg (se "ESnet: nettverksbygging i stor skala"). "Men hvis en større datamaskin kan bygges fra et nettverk av flere mindre datamaskiner," legger han til, "kan vi kanskje fremskynde skaleringen av kvanteberegningsevnen - flere qubits fungerer i hovedsak sammen - ved å distribuere kvantesammenfiltring over en fiber- optisk infrastruktur? Det er det grunnleggende spørsmålet vi prøver å svare på i QUANT-NET.»

En annen motivasjon for Monga og kollegene er å ta kvantekommunikasjonsteknologi "ut av laboratoriet" inn i virkelige nettverkssystemer som utnytter telekomfibre som allerede er utplassert i bakken. "Nåværende kvantenettverkssystemer er fortsatt i hovedsak romstørrelser eller fysiske eksperimenter på bordet, finjustert og administrert av doktorgradsstudenter," sier Monga.

Som sådan er en av hovedoppgavene for QUANT-NET-teamet å demonstrere felt-distribuerbare teknologier som over tid vil kunne operere 24/7 uten operatørintervensjon. "Det vi ønsker å gjøre er å bygge programvarestabelen for å orkestrere og administrere alle de fysiske lagteknologiene," legger Monga til. "Eller i det minste få en ide om hvordan den programvarestabelen skal se ut i fremtiden for å automatisere høyhastighets og høykvalitets sammenfiltringsgenerering, distribusjon og lagring på en effektiv, pålitelig, skalerbar og kostnadseffektiv måte."

Aktivering av kvanteteknologier

Hvis QUANT-NET-sluttspillet skal teste kandidat-maskinvare- og programvareteknologiene for kvanteinternettet, er det lærerikt fra et fysikkperspektiv å pakke ut kjernekvantebyggesteinene som utgjør testbedets nettverksnoder – nemlig fanget-ion kvantedatabehandlingsprosessorer; kvantefrekvenskonverteringssystemer; og fargesenterbaserte silisiumkilder med ett foton.

Når det gjelder nettverksinfrastrukturen, har det allerede vært betydelig fremgang med design og implementering av testbed. QUANT-NET testbed-infrastrukturen er komplett, inkludert fiberkonstruksjon (5 km i utstrekning) mellom kvantenodene pluss innredningen av et dedikert kvantenettverkshub ved Berkeley Lab. Innledende design for kvantenettverksarkitekturen og programvarestabelen er også på plass.

Maskinrommet til QUANT-NET-prosjektet er fange-ion kvantedatabehandlingsprosessoren, som er avhengig av integreringen av et høyfint optisk hulrom med en ny brikkebasert felle for Ca.⁺ ion qubits. Disse fangede-ion-qubitene vil kobles sammen via en dedikert kvantekanal på tvers av nettverkets testbed - i sin tur skaper langdistanse sammenfiltring mellom distribuerte kvantedatabehandlingsnoder.

"Å demonstrere sammenfiltring er nøkkelen siden det gir en kobling mellom de eksterne kvanteregistrene som kan brukes til å teleportere kvanteinformasjon mellom forskjellige prosessorer eller for å utføre betinget logikk mellom dem," sier Hartmut Häffner, som er hovedetterforsker i QUANT-NET-prosjektet med Monga, og hvis fysikklaboratorium på UC Berkeley campus er den andre noden i testbedet. Like viktig er det at datakraften til en distribuert kvantedatamaskin skaleres betydelig med antall qubits som kan kobles sammen deri.

Å vikle to eksterne ionefeller over nettverket er imidlertid langt fra enkelt. Først må spinnet til hvert ion vikles sammen med polarisasjonen til et utsendt foton fra dens respektive felle (se "Konstruksjon og utnyttelse av sammenfiltring i QUANT-NET testbed"). Ione-foton-sammenfiltringen med høy hastighet er i hvert tilfelle avhengig av enkeltstående, nær-infrarøde fotoner som sendes ut ved en bølgelengde på 854 nm. Disse fotonene konverteres til 1550 nm telekom C-bånd for å minimere fiberoptiske tap som påvirker påfølgende fotonoverføring mellom UC Berkeley og Berkeley Lab kvantenoder. Til sammen representerer fangede ioner og fotoner en vinn-vinn, hvor førstnevnte gir de stasjonære databehandlings-qubits; sistnevnte tjener som "flygende kommunikasjons-qubits" for å koble sammen de distribuerte kvantenodene.

På et mer granulært nivå utnytter kvantefrekvenskonverteringsmodulen etablerte integrerte fotoniske teknologier og den såkalte "forskjellsfrekvensprosessen". På denne måten vil et inngangsfoton på 854 nm (utsendt fra en Ca⁺ ion) blandes koherent med et sterkt pumpefelt ved 1900 nm i et ikke-lineært medium, noe som gir et utgående telekomfoton ved 1550 nm. "Det er avgjørende at denne teknikken bevarer kvantetilstandene til inngangsfotonene samtidig som den gir høy konverteringseffektivitet og lav støydrift for våre planlagte eksperimenter," sier Häffner.

Med sammenfiltring etablert mellom to noder, kan QUANT-NET-teamet demonstrere den grunnleggende byggesteinen til distribuert kvanteberegning, der kvanteinformasjonen i en node styrer logikken i den andre. Spesielt blir sammenfiltring og klassisk kommunikasjon brukt til å teleportere kvanteinformasjon fra den kontrollerende noden til målnoden, hvor prosessen – for eksempel en ikke-lokal, kontrollert IKKE kvantelogikkport – da kan utføres kun med lokale operasjoner.

Til slutt er en parallell arbeidspakke underveis for å utforske virkningen av "heterogenitet" i kvantenettverket - som erkjenner at flere kvanteteknologier sannsynligvis vil bli distribuert (og derfor koblet til hverandre) i de formative stadiene av kvanteinternettet. I denne forbindelse drar solid-state-enheter som er avhengige av silisiumfargesentre (gitterdefekter som genererer optisk emisjon ved telekommunikasjonsbølgelengder rundt 1300 nm) fordel av den iboende skalerbarheten til silisiumnanofabrikasjonsteknikker, mens de sender ut enkeltfotoner med høy grad av forskjellsevne. ) kreves for kvantesammenfiltring.

"Som et første skritt i denne retningen," legger Häffner til, "planlegger vi å demonstrere kvantetilstand teleportering fra et enkelt foton som sendes ut fra et silisiumfargesenter til et Ca.⁺ qubit ved å lindre problemet med spektral misforhold mellom disse to kvantesystemene."

QUANT-NET veikartet

Når QUANT-NET nærmer seg midtveis, er målet for Monga, Häffner og kolleger å karakterisere ytelsen til diskrete testbed-komponenter uavhengig, før integrasjon og tuning av disse elementene til et operativt testbed. "Med nettverkssystemprinsipper i tankene, vil vårt fokus også være på å automatisere de ulike elementene i et kvantenettverks testbed som vanligvis kan være manuelt innstilt eller kalibrert i et laboratoriemiljø," sier Monga.

Å samkjøre QUANT-NET FoU-prioriteringer med andre kvantenettverksinitiativer rundt om i verden er også avgjørende – selv om ulike, og kanskje inkompatible, tilnærminger vil trolig være normen gitt den utforskende karakteren til denne kollektive forskningsinnsatsen. "Vi trenger mange blomster for å blomstre for nå," bemerker Monga, "slik at vi kan finne de mest lovende kvantekommunikasjonsteknologiene og tilhørende nettverkskontrollprogramvare og arkitekturer."

På lengre sikt ønsker Monga å sikre ytterligere DOE-finansiering, slik at QUANT-NET testbed kan skaleres når det gjelder rekkevidde og kompleksitet. "Vi håper at vår testbed-tilnærming vil muliggjøre enklere integrering av lovende kvanteteknologier fra andre forskningsteam og industri," avslutter han. "Dette vil igjen sørge for en rask prototype-test-integreringssyklus for å støtte innovasjon ... og vil bidra til en akselerert forståelse av hvordan man bygger et skalerbart kvanteinternett som eksisterer sammen med det klassiske internett."

Videre lesing

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: Et testbed for kvantenettverksforskning over distribuert fiber. QuNet '23, pp 31-37 (10. september–142023; New York, NY, USA)

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/