Inovações de teste da QUANT-NET: reimaginando a rede quântica – Physics World

A Internet de hoje distribui bits e bytes clássicos de informação por distâncias globais, até mesmo interestelares. A Internet quântica de amanhã, por outro lado, permitirá a ligação, manipulação e armazenamento remotos de informação quântica – através da distribuição de emaranhamento quântico utilizando fotões – através de nós quânticos fisicamente distantes em redes ópticas metropolitanas, regionais e de longa distância. As oportunidades são atraentes e já estão visíveis para a ciência, a segurança nacional e a economia em geral.

Ao explorar os princípios da mecânica quântica – superposição, emaranhamento e o teorema da “não clonagem”, por exemplo – as redes quânticas permitirão todos os tipos de aplicações únicas que não são possíveis com as tecnologias de rede clássicas. Pense em esquemas de comunicação com criptografia quântica para governos, finanças, saúde e militares; detecção quântica e metrologia de ultra-alta resolução para pesquisa científica e medicina; e, em última análise, a implementação de recursos de computação quântica em escala e baseados em nuvem, conectados de forma segura através de redes globais.

Neste momento, porém, as redes quânticas ainda estão na sua infância, com a comunidade de investigação, as grandes empresas tecnológicas (empresas como IBM, Amazon, Google e Microsoft) e uma onda de start-ups financiadas por capital de risco, todas a perseguir diversos caminhos de I&D rumo a funcionalidades práticas e implementação. Um estudo de caso nesse sentido é o QUANT-NET, uma iniciativa de P&D de US$ 12.5 milhões, com duração de cinco anos, apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), no âmbito do programa Advanced Scientific Computing Research, com o objetivo de construir uma prova de princípio de rede quântica testada para aplicações de computação quântica distribuída.

Fora do laboratório, para a rede

Coletivamente, os quatro parceiros de pesquisa do consórcio QUANT-NET – Berkeley Lab (Berkeley, CA); Universidade da Califórnia em Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); e a Universidade de Innsbruck (Áustria) – procuram estabelecer uma rede de computação quântica distribuída de três nós entre dois locais (Berkeley Lab e UC Berkeley). Desta forma, cada um dos nós quânticos será ligado através de um esquema de comunicação de entrelaçamento quântico através de fibra de telecomunicações pré-instalada, com toda a infraestrutura de teste gerida por uma pilha de software personalizada.

“Existem muitos desafios complexos quando se trata de aumentar o número de qubits em um único computador quântico”, diz Indermohan (Inder) Monga, investigador principal da QUANT-NET e diretor da divisão de redes científicas do Berkeley Lab e diretor executivo de Energia. Sciences Network (ESnet), a instalação de usuário de rede de alto desempenho do DOE (ver “ESnet: networking de ciência em larga escala”). “Mas se um computador maior puder ser construído a partir de uma rede de vários computadores menores”, acrescenta ele, “poderíamos talvez acelerar o dimensionamento da capacidade de computação quântica – mais qubits trabalhando essencialmente em conjunto – distribuindo o emaranhado quântico por uma fibra. infraestrutura óptica? Essa é a questão fundamental que estamos tentando responder dentro da QUANT-NET.”

Outra motivação para Monga e colegas é levar as tecnologias de comunicação quântica “fora do laboratório” para sistemas de rede do mundo real que explorem fibras de telecomunicações já implantadas no solo. “Os atuais sistemas de redes quânticas ainda são essencialmente experimentos de física do tamanho de uma sala ou de mesa, ajustados e gerenciados por estudantes de pós-graduação”, diz Monga.

Como tal, uma das principais tarefas da equipa QUANT-NET é demonstrar tecnologias implementáveis ​​no terreno que, com o tempo, serão capazes de funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana, sem intervenção do operador. “O que queremos fazer é construir a pilha de software para orquestrar e gerenciar todas as tecnologias da camada física”, acrescenta Monga. “Ou pelo menos ter uma ideia de como essa pilha de software deve ser no futuro, de modo a automatizar a geração, distribuição e armazenamento de emaranhamento de alta taxa e alta fidelidade de maneira eficiente, confiável, escalável e econômica.”

Habilitando tecnologias quânticas

Se o jogo final da QUANT-NET é testar as tecnologias candidatas de hardware e software para a Internet quântica, é instrutivo, do ponto de vista da física, descompactar os principais blocos de construção quânticos que compõem os nós da rede do banco de testes – ou seja, os nós de íons presos. processadores de computação quântica; sistemas quânticos de conversão de frequência; e fontes de silício de fóton único baseadas em centro de cor.

No que diz respeito à infraestrutura de rede, já houve um progresso significativo no design e na implementação do ambiente de teste. A infraestrutura de teste do QUANT-NET está completa, incluindo a construção de fibra (5 km de extensão) entre os nós quânticos, além da instalação de um hub de rede quântica dedicado no Berkeley Lab. Projetos iniciais para a arquitetura de rede quântica e pilha de software também estão em vigor.

A sala de máquinas do projeto QUANT-NET é o processador de computação quântica de íons aprisionados, que depende da integração de uma cavidade óptica de alta precisão com uma nova armadilha baseada em chip para Ca⁺ qubits de íons. Esses qubits de íons aprisionados se conectarão por meio de um canal quântico dedicado em todo o ambiente de teste da rede – por sua vez, criando um emaranhamento de longa distância entre nós de computação quântica distribuídos.

“Demonstrar o emaranhamento é fundamental, pois fornece um link entre os registros quânticos remotos que pode ser usado para teletransportar informações quânticas entre diferentes processadores ou para executar lógica condicional entre eles”, diz Hartmut Häffner, pesquisador principal do projeto QUANT-NET. com Monga, e cujo laboratório de física no campus da UC Berkeley é o outro nó do teste. Igualmente importante, o poder de computação de um computador quântico distribuído aumenta significativamente com o número de qubits que podem ser interconectados nele.

No entanto, emaranhar duas armadilhas de íons remotas na rede está longe de ser simples. Primeiro, o spin de cada íon deve ser emaranhado com a polarização de um fóton emitido de sua respectiva armadilha (veja “Engenharia e exploração do emaranhamento no ambiente de teste QUANT-NET”). O emaranhamento íon-fóton de alta taxa e alta fidelidade em cada caso depende de fótons únicos no infravermelho próximo emitidos em um comprimento de onda de 854 nm. Esses fótons são convertidos para a banda C de telecomunicações de 1550 nm para minimizar as perdas de fibra óptica que afetam a transmissão subsequente de fótons entre os nós quânticos da UC Berkeley e do Berkeley Lab. Tomados em conjunto, os íons e fótons presos representam uma situação em que todos ganham, com os primeiros fornecendo os qubits de computação estacionários; este último servindo como “qubits de comunicação voadores” para conectar os nós quânticos distribuídos.

Em um nível mais granular, o módulo quântico de conversão de frequência explora tecnologias fotônicas integradas estabelecidas e o chamado “processo de diferença de frequência”. Desta forma, um fóton de entrada de 854 nm (emitido de um Ca⁺ íon) é misturado coerentemente com um forte campo de bomba a 1900 nm em um meio não linear, produzindo um fóton de telecomunicações de saída a 1550 nm. “Crucialmente, esta técnica preserva os estados quânticos dos fótons de entrada, ao mesmo tempo que fornece altas eficiências de conversão e operação de baixo ruído para nossos experimentos planejados”, diz Häffner.

Com o emaranhamento estabelecido entre dois nós, a equipe da QUANT-NET pode então demonstrar o alicerce fundamental da computação quântica distribuída, na qual a informação quântica em um nó controla a lógica no outro. Em particular, o emaranhamento e a comunicação clássica são usados ​​para teletransportar informações quânticas do nó de controle para o nó de destino, onde o processo – como uma porta lógica quântica NOT controlada e não local – pode então ser executado apenas com operações locais.

Finalmente, está em curso um pacote de trabalho paralelo para explorar o impacto da “heterogeneidade” dentro da rede quântica – reconhecendo que é provável que múltiplas tecnologias quânticas sejam implementadas (e, portanto, interligadas entre si) nas fases de formação da Internet quântica. A este respeito, os dispositivos de estado sólido que dependem de centros de cores de silício (defeitos de rede que geram emissão óptica em comprimentos de onda de telecomunicações em torno de 1300 nm) beneficiam da escalabilidade inerente das técnicas de nanofabricação de silício, ao mesmo tempo que emitem fotões únicos com um elevado nível de indistinguibilidade (coerência ) necessário para o emaranhamento quântico.

“Como um primeiro passo nessa direção”, acrescenta Häffner, “planejamos demonstrar o teletransporte no estado quântico de um único fóton emitido de um centro de cor de silício para um Ca⁺ qubit, aliviando a questão da incompatibilidade espectral entre esses dois sistemas quânticos.”

O roteiro da QUANT-NET

À medida que o QUANT-NET se aproxima do seu ponto médio, o objetivo de Monga, Häffner e colegas é caracterizar o desempenho de componentes discretos do banco de testes de forma independente, antes da integração e ajuste desses elementos em um banco de testes de pesquisa operacional. “Com os princípios do sistema de rede em mente, nosso foco também será na automatização dos vários elementos de um ambiente de teste de rede quântica que normalmente pode ser ajustado ou calibrado manualmente em um ambiente de laboratório”, diz Monga.

O alinhamento das prioridades de I&D da QUANT-NET com outras iniciativas de redes quânticas em todo o mundo também é crucial - embora abordagens diferentes, e talvez incompatíveis, sejam provavelmente a norma, dada a natureza exploratória deste esforço de investigação colectiva. “Precisamos que muitas flores desabrochem por enquanto”, observa Monga, “para que possamos nos concentrar nas tecnologias de comunicação quântica mais promissoras e no software e nas arquiteturas de controle de rede associadas”.

A longo prazo, Monga pretende garantir financiamento adicional do DOE, de modo que o banco de testes QUANT-NET possa ser dimensionado em termos de alcance e complexidade. “Esperamos que a nossa abordagem de teste permita uma integração mais fácil de tecnologias quânticas promissoras de outras equipas de investigação e da indústria”, conclui. “Isso, por sua vez, proporcionará um ciclo rápido de protótipo-teste-integração para apoiar a inovação... e contribuirá para uma compreensão acelerada de como construir uma Internet quântica escalável que coexista com a Internet clássica.”

Outras leituras

Inder Monga et ai. 2023 QUANT-NET: Um ambiente de teste para pesquisa de redes quânticas em fibra implantada. QuNet '23, pp 31 – 37 (10 a 142023 de setembro de XNUMX; Nova York, NY, EUA)

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• PlatoData.Network Gerativa Vertical Ai. Capacite-se. Acesse aqui.
• PlatoAiStream. Inteligência Web3. Conhecimento Amplificado. Acesse aqui.
• PlatãoESG. Carbono Tecnologia Limpa, Energia, Ambiente, Solar, Gestão de resíduos. Acesse aqui.
• PlatoHealth. Inteligência em Biotecnologia e Ensaios Clínicos. Acesse aqui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/