Innowacje w środowisku testowym QUANT-NET: nowe oblicze sieci kwantowej – Świat Fizyki

Dzisiejszy Internet rozpowszechnia klasyczne bity i bajty informacji na globalne, a nawet międzygwiezdne odległości. Z drugiej strony kwantowy Internet jutra umożliwi zdalne łączenie, manipulowanie i przechowywanie informacji kwantowych – poprzez dystrybucję splątania kwantowego za pomocą fotonów – w fizycznie odległych węzłach kwantowych w metropolitalnych, regionalnych i długodystansowych sieciach optycznych. Możliwości są atrakcyjne i już się pojawiają w kontekście nauki, bezpieczeństwa narodowego i szerszej gospodarki.

Wykorzystując zasady mechaniki kwantowej – na przykład superpozycję, splątanie i twierdzenie o „nie klonowaniu” – sieci kwantowe umożliwią wszelkiego rodzaju unikalne zastosowania, które nie są możliwe w przypadku klasycznych technologii sieciowych. Pomyśl o schematach komunikacji szyfrowanej kwantowo dla rządu, finansów, opieki zdrowotnej i wojska; wykrywanie kwantowe i metrologia o ultrawysokiej rozdzielczości dla badań naukowych i medycyny; i ostatecznie wdrożenie skalowanych, opartych na chmurze zasobów obliczeń kwantowych, bezpiecznie połączonych w sieciach globalnych.

Jednak obecnie sieci kwantowe są wciąż w powijakach, a społeczność badawcza, wielkie technologie (firmy takie jak IBM, Amazon, Google i Microsoft) oraz fala start-upów finansowanych przez venture capital podążają różnymi ścieżkami badawczo-rozwojowymi w kierunku praktycznej funkcjonalności i realizacja. Studium przypadku w tym zakresie stanowi QUANT-NET, pięcioletnia inicjatywa badawczo-rozwojowa o wartości 12.5 miliona dolarów, wspierana przez Departament Energii USA (DOE) w ramach programu Advanced Scientific Computing Research, której celem jest skonstruowanie dowodu- główna sieć kwantowa przetestowana pod kątem rozproszonych zastosowań obliczeń kwantowych.

Z laboratorium do sieci

Łącznie czterech partnerów badawczych w ramach konsorcjum QUANT-NET – Berkeley Lab (Berkeley, Kalifornia); Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley (UC Berkeley, Kalifornia); Caltech (Pasadena, Kalifornia); i Uniwersytet w Innsbrucku (Austria) – dążą do utworzenia trójwęzłowej, rozproszonej sieci obliczeń kwantowych pomiędzy dwoma lokalizacjami (Berkeley Lab i UC Berkeley). W ten sposób każdy z węzłów kwantowych zostanie połączony za pomocą schematu komunikacji splątania kwantowego za pośrednictwem wstępnie zainstalowanego światłowodu telekomunikacyjnego, a cała infrastruktura testowa będzie zarządzana przez specjalnie zbudowany stos oprogramowania.

„Istnieje wiele złożonych wyzwań, jeśli chodzi o zwiększanie liczby kubitów w pojedynczym komputerze kwantowym” – mówi Indermohan (Inder) Monga, główny badacz QUANT-NET i dyrektor działu sieci naukowych w Berkeley Lab oraz dyrektor wykonawczy Energy Sciences Network (ESnet), wysokowydajna sieć dla użytkowników DOE (patrz „ESnet: tworzenie sieci nauki na dużą skalę”). „Ale jeśli można zbudować większy komputer z sieci wielu mniejszych komputerów” – dodaje – „czy moglibyśmy przyspieszyć skalowanie możliwości obliczeń kwantowych – czyli w zasadzie więcej kubitów pracujących w tandemie – poprzez rozprowadzenie splątania kwantowego w światłowodzie? infrastruktura optyczna? To podstawowe pytanie, na które staramy się odpowiedzieć w ramach QUANT-NET.”

Kolejną motywacją dla Mongi i współpracowników jest przeniesienie technologii komunikacji kwantowej „z laboratorium” do rzeczywistych systemów sieciowych, które wykorzystują światłowody telekomunikacyjne już rozmieszczone w ziemi. „Obecne systemy sieci kwantowych to w dalszym ciągu zasadniczo eksperymenty fizyczne o wielkości pomieszczenia lub na stole, dostrajane i zarządzane przez studentów” – mówi Monga.

W związku z tym jednym z głównych zadań zespołu QUANT-NET jest zademonstrowanie technologii możliwych do wdrożenia w terenie, które z czasem będą mogły działać 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, bez interwencji operatora. „Chcemy zbudować stos oprogramowania, który umożliwi koordynację i zarządzanie wszystkimi technologiami warstwy fizycznej” – dodaje Monga. „Albo przynajmniej orientuj się, jak powinien wyglądać ten stos oprogramowania w przyszłości, aby zautomatyzować generowanie, dystrybucję i przechowywanie splątania z dużą szybkością i jakością w sposób wydajny, niezawodny, skalowalny i opłacalny”.

Włączanie technologii kwantowych

Jeśli końcowym etapem projektu QUANT-NET jest przetestowanie potencjalnych technologii sprzętu i oprogramowania dla Internetu kwantowego, z fizyki pouczające jest rozpakowanie podstawowych elementów kwantowych, z których składają się węzły sieci stanowiska testowego – mianowicie jonów uwięzionych procesory do obliczeń kwantowych; kwantowe systemy konwersji częstotliwości; oraz jednofotonowe źródła krzemu oparte na centrach kolorów.

Jeśli chodzi o infrastrukturę sieciową, nastąpił już znaczny postęp w projektowaniu i wdrażaniu stanowiska testowego. Infrastruktura stanowiska testowego QUANT-NET jest kompletna, obejmuje budowę światłowodów (o zasięgu 5  km) pomiędzy węzłami kwantowymi oraz wyposażenie dedykowanego koncentratora sieci kwantowej w Berkeley Lab. Istnieją również wstępne projekty architektury sieci kwantowej i stosu oprogramowania.

Maszynownię projektu QUANT-NET stanowi kwantowy procesor obliczeniowy z uwięzionymi jonami, który opiera się na integracji wysoce precyzyjnej wnęki optycznej z nowatorską pułapką opartą na chipie dla Ca⁺ kubity jonowe. Te kubity z uwięzionymi jonami będą łączyć się za pośrednictwem dedykowanego kanału kwantowego w sieci testowej, tworząc z kolei splątanie na duże odległości między rozproszonymi węzłami obliczeń kwantowych.

„Wykazanie splątania ma kluczowe znaczenie, ponieważ zapewnia połączenie między odległymi rejestrami kwantowymi, które można wykorzystać do teleportowania informacji kwantowych między różnymi procesorami lub do wykonywania między nimi logiki warunkowej” – mówi Hartmut Häffner, główny badacz w projekcie QUANT-NET z Mongą i którego laboratorium fizyczne na kampusie Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley jest drugim węzłem na stanowisku testowym. Co równie ważne, moc obliczeniowa rozproszonego komputera kwantowego znacznie skaluje się wraz z liczbą kubitów, które można w nim połączyć.

Jednak splątanie dwóch odległych pułapek jonowych w sieci nie jest proste. Po pierwsze, spin każdego jonu musi zostać splątany z polaryzacją emitowanego fotonu z odpowiedniej pułapki (patrz „Inżynieria i wykorzystanie splątania na stanowisku testowym QUANT-NET”). W każdym przypadku szybkie i dokładne splątanie jonowo-fotonowe opiera się na pojedynczych fotonach bliskiej podczerwieni emitowanych przy długości fali 854 nm. Fotony te są konwertowane do telekomunikacyjnego pasma C o długości fali 1550 nm, aby zminimalizować straty w światłowodach wpływające na późniejszą transmisję fotonów między węzłami kwantowymi Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Berkeley Lab. Podsumowując, uwięzione jony i fotony stanowią korzyść dla obu stron, przy czym te pierwsze zapewniają stacjonarne kubity obliczeniowe; ten ostatni służy jako „latające kubity komunikacyjne” służące do łączenia rozproszonych węzłów kwantowych.

Na bardziej szczegółowym poziomie moduł kwantowej konwersji częstotliwości wykorzystuje uznane zintegrowane technologie fotoniczne i tak zwany „proces różnicowej częstotliwości”. W ten sposób wejściowy foton 854 nm (emitowany z Ca⁺ jon) jest spójnie mieszany z silnym polem pompy przy 1900 nm w ośrodku nieliniowym, dając wyjściowy foton telekomunikacyjny przy 1550 nm. „Co najważniejsze, technika ta zachowuje stany kwantowe fotonów wejściowych, zapewniając jednocześnie wysoką wydajność konwersji i cichą pracę w planowanych eksperymentach” – mówi Häffner.

Po ustanowieniu splątania między dwoma węzłami zespół QUANT-NET może następnie zademonstrować podstawowy element składowy rozproszonego przetwarzania kwantowego, w którym informacja kwantowa w jednym węźle steruje logiką w drugim. W szczególności splątanie i klasyczna komunikacja służą do teleportowania informacji kwantowej z węzła sterującego do węzła docelowego, gdzie proces – taki jak nielokalna, kontrolowana kwantowa bramka logiczna NOT – może być następnie wykonywany wyłącznie przy użyciu operacji lokalnych.

Wreszcie, realizowany jest równoległy pakiet prac mający na celu zbadanie wpływu „heterogeniczności” w sieci kwantowej – przy założeniu, że wiele technologii kwantowych zostanie prawdopodobnie wdrożonych (a tym samym połączonych ze sobą) na etapach tworzenia Internetu kwantowego. Pod tym względem urządzenia półprzewodnikowe wykorzystujące krzemowe centra barwne (defekty sieci, które generują emisję optyczną przy falach telekomunikacyjnych około 1300 nm) korzystają z nieodłącznej skalowalności technik nanoprodukcji krzemu, emitując jednocześnie pojedyncze fotony o wysokim poziomie nierozróżnialności (spójność ) wymagane do splątania kwantowego.

„Jako pierwszy krok w tym kierunku” – dodaje Häffner – „planujemy zademonstrować teleportację w stanie kwantowym z pojedynczego fotonu emitowanego z krzemowego centrum barwy do Ca⁺ kubitu, łagodząc problem niedopasowania widmowego między tymi dwoma układami kwantowymi”.

Plan działania QUANT-NET

W miarę jak QUANT-NET zbliża się do półmetku, celem Mongi, Häffnera i współpracowników jest niezależne scharakteryzowanie wydajności dyskretnych komponentów stanowiska testowego, przed integracją i dostrojeniem tych elementów w operacyjne stanowisko testowe. „Mając na uwadze zasady systemów sieciowych, skupimy się również na automatyzacji różnych elementów stanowiska testowego sieci kwantowej, które zazwyczaj można ręcznie dostroić lub skalibrować w środowisku laboratoryjnym” – mówi Monga.

Kluczowe znaczenie ma także dostosowanie priorytetów badawczo-rozwojowych QUANT-NET do innych inicjatyw w zakresie sieci kwantowych na całym świecie – choć różne i być może niekompatybilne podejścia będą prawdopodobnie normą, biorąc pod uwagę eksploracyjny charakter tego zbiorowego przedsięwzięcia badawczego. „Potrzebujemy teraz wielu kwiatów do rozkwitu” – zauważa Monga – „abyśmy mogli zapoznać się z najbardziej obiecującymi technologiami komunikacji kwantowej oraz powiązanym oprogramowaniem i architekturą do sterowania siecią”.

W dłuższej perspektywie Monga chce zapewnić dodatkowe finansowanie DOE, tak aby stanowisko testowe QUANT-NET mogło być skalowane pod względem zasięgu i złożoności. „Mamy nadzieję, że nasze podejście do stanowiska testowego umożliwi łatwiejszą integrację obiecujących technologii kwantowych z innych zespołów badawczych i przemysłu” – podsumowuje. „To z kolei zapewni szybki cykl prototypowania, testowania i integracji w celu wspierania innowacji… i przyczyni się do szybszego zrozumienia, w jaki sposób zbudować skalowalny internet kwantowy, który współistnieje z klasycznym Internetem”.

Dalsze czytanie

Inder Monga i in. 2023 QUANT-NET: Stanowisko testowe do badań nad sieciami kwantowymi za pośrednictwem rozmieszczonego światłowodu. QuNet '23, pp 31-37 (10 września–142023; Nowy Jork, NY, USA)

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/