Inovațiile QUANT-NET pe bancul de testare: reimaginarea rețelei cuantice – Physics World

Internetul de astăzi distribuie biți și octeți clasici de informații pe distanțe globale, chiar interstelare. Internetul cuantic de mâine, pe de altă parte, va permite conectarea, manipularea și stocarea de la distanță a informațiilor cuantice – prin distribuția întanglementării cuantice folosind fotoni – în noduri cuantice îndepărtate fizic din cadrul rețelelor optice metropolitane, regionale și pe distanțe lungi. Oportunitățile sunt convingătoare și apar deja pentru știință, securitatea națională și economia în general.

Prin exploatarea principiilor mecanicii cuantice – suprapunerea, încurcarea și teorema „fără clonare”, de exemplu – rețelele cuantice vor permite tot felul de aplicații unice care nu sunt posibile cu tehnologiile clasice de rețea. Gândiți-vă la scheme de comunicare cu criptare cuantică pentru guvern, finanțe, asistență medicală și armată; detecție cuantică de ultraînaltă rezoluție și metrologie pentru cercetare științifică și medicină; și, în cele din urmă, implementarea resurselor de calcul cuantic la scară, bazate pe cloud, conectate în siguranță în rețelele globale.

În acest moment, totuși, rețelele cuantice sunt încă în stadiu incipient, cu comunitatea de cercetare, tehnologia mare (companii precum IBM, Amazon, Google și Microsoft) și un val de start-up-uri finanțate de risc, toate urmărind diverse căi de cercetare și dezvoltare către funcționalitate practică și implementare. Un studiu de caz în acest sens este QUANT-NET, o inițiativă de cercetare-dezvoltare de 12.5 ani, în valoare de XNUMX milioane USD, susținută de Departamentul de Energie al SUA (DOE), în cadrul programului de cercetare științifică avansată în calcul, cu scopul de a construi o dovadă a... rețea cuantică de principiu testată pentru aplicații de calcul cuantic distribuit.

Din laborator, în rețea

În mod colectiv, cei patru parteneri de cercetare din consorțiul QUANT-NET – Berkeley Lab (Berkeley, CA); Universitatea din California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); și Universitatea din Innsbruck (Austria) – încearcă să stabilească o rețea de calcul cuantică distribuită cu trei noduri între două site-uri (Berkeley Lab și UC Berkeley). În acest fel, fiecare dintre nodurile cuantice va fi conectat printr-o schemă de comunicare cu întâlnire cuantică prin fibră de telecomunicații preinstalată, cu toată infrastructura testbed gestionată de o stivă de software personalizată.

„Există multe provocări complexe când vine vorba de creșterea numărului de qubiți pe un singur computer cuantic”, spune Indermohan (Inder) Monga, cercetător principal QUANT-NET și director al diviziei de rețele științifice de la Berkeley Lab și director executiv al Energiei. Sciences Network (ESnet), facilitate de înaltă performanță pentru utilizatori de rețea a DOE (a se vedea „ESnet: rețea la scară largă știință”). „Dar dacă un computer mai mare poate fi construit dintr-o rețea de mai multe computere mai mici”, adaugă el, „am putea accelera scalarea capacității de calcul cuantic – mai mulți qubiți lucrând în tandem, în esență – prin distribuirea întanglementării cuantice pe o fibră- infrastructura optică? Aceasta este întrebarea fundamentală la care încercăm să răspundem în cadrul QUANT-NET.”

O altă motivație pentru Monga și colegii este de a scoate tehnologiile de comunicare cuantică „din laborator” în sistemele de rețea din lumea reală care exploatează fibrele de telecomunicații deja implementate în sol. „Sistemele actuale de rețele cuantice sunt, în esență, experimente de fizică de dimensiunea unei camere sau de masă, reglate fin și gestionate de studenți”, spune Monga.

Ca atare, una dintre sarcinile principale pentru echipa QUANT-NET este să demonstreze tehnologii care pot fi implementate pe teren care, în timp, vor putea funcționa 24/7 fără intervenția operatorului. „Ceea ce vrem să facem este să construim stiva de software pentru a orchestra și gestiona toate tehnologiile de nivel fizic”, adaugă Monga. „Sau cel puțin să vă faceți o idee despre cum ar trebui să arate acea stivă de software în viitor, pentru a automatiza generarea, distribuția și stocarea de încurcături de mare viteză și fidelitate într-un mod eficient, fiabil, scalabil și rentabil.”

Activarea tehnologiilor cuantice

Dacă jocul final QUANT-NET este de a testa tehnologiile hardware și software candidate pentru internetul cuantic, este instructiv din perspectiva fizicii să despachetăm blocurile de bază cuantice care alcătuiesc nodurile de rețea ale bancului de testare - și anume, ionii prinși. procesoare de calcul cuantic; sisteme de conversie cuantică a frecvenței; și surse de siliciu cu un singur foton bazate pe centre de culoare.

În ceea ce privește infrastructura de rețea, au existat deja progrese semnificative în ceea ce privește proiectarea și implementarea patului de testare. Infrastructura bancului de testare QUANT-NET este completă, incluzând construcția de fibră (5 km întindere) între nodurile cuantice plus amenajarea unui hub dedicat de rețea cuantică la Berkeley Lab. Proiectele inițiale pentru arhitectura rețelei cuantice și stiva de software sunt, de asemenea, în vigoare.

Sala motoarelor proiectului QUANT-NET este procesorul de calcul cuantic cu ioni prinși, care se bazează pe integrarea unei cavități optice de înaltă finețe cu o capcană nouă pe bază de cip pentru Ca.⁺ qubiți ionici. Acești qubiți cu ioni prinși se vor conecta printr-un canal cuantic dedicat pe patul de testare al rețelei - la rândul lor, creând încurcare la distanță lungă între nodurile de calcul cuantic distribuite.

„Demonstrarea încalcării este esențială, deoarece oferă o legătură între registrele cuantice de la distanță care poate fi folosită pentru a teleporta informații cuantice între diferite procesoare sau pentru a executa logica condiționată între ele”, spune Hartmut Häffner, care este cercetător principal al proiectului QUANT-NET. cu Monga și al cărui laborator de fizică din campusul UC Berkeley este celălalt nod din patul de testare. La fel de important, puterea de calcul a unui computer cuantic distribuit crește semnificativ cu numărul de qubiți care pot fi interconectați în acesta.

Totuși, să încurci două capcane de ioni la distanță în rețea este departe de a fi simplu. În primul rând, spin-ul fiecărui ion trebuie să fie încurcat cu polarizarea unui foton emis din capcana respectivă (vezi „Inginerie și exploatarea încurcăturii în bancul de testare QUANT-NET”). Încrucișarea ion-foton de mare viteză și fidelitate se bazează în fiecare caz pe fotoni unici, în infraroșu apropiat, emiși la o lungime de undă de 854 nm. Acești fotoni sunt convertiți în banda C de telecomunicații de 1550 nm pentru a minimiza pierderile de fibră optică care afectează transmisia ulterioară de fotoni între nodurile cuantice UC Berkeley și Berkeley Lab. Luați împreună, ionii și fotonii prinși reprezintă un câștig-câștig, primii furnizând qubiții de calcul staționari; acesta din urmă servește drept „qubiți de comunicare zburătoare” pentru a lega nodurile cuantice distribuite.

La un nivel mai granular, modulul de conversie a frecvenței cuantice exploatează tehnologiile fotonice integrate consacrate și așa-numitul „proces de frecvență diferită”. În acest fel, un foton de intrare de 854 nm (emis de la un Ca⁺ ion) este amestecat coerent cu un câmp puternic de pompă la 1900 nm într-un mediu neliniar, producând un foton de telecomunicații de ieșire la 1550 nm. „În mod esențial, această tehnică păstrează stările cuantice ale fotonilor de intrare, oferind în același timp eficiențe mari de conversie și funcționare cu zgomot redus pentru experimentele noastre planificate”, spune Häffner.

Odată cu întricarea stabilită între două noduri, echipa QUANT-NET poate demonstra apoi blocul fundamental al calculului cuantic distribuit, în care informațiile cuantice dintr-un nod controlează logica din celălalt. În special, întanglementul și comunicarea clasică sunt folosite pentru a teleporta informații cuantice de la nodul de control în nodul țintă, unde procesul – cum ar fi o poartă logică cuantică NOT nelocală, controlată – poate fi apoi executat numai cu operații locale.

În cele din urmă, este în curs de desfășurare un pachet de lucru paralel pentru a explora impactul „eterogenității” în cadrul rețelei cuantice – recunoscând că mai multe tehnologii cuantice sunt susceptibile să fie implementate (și, prin urmare, interfațate între ele) în etapele formative ale internetului cuantic. În acest sens, dispozitivele în stare solidă care se bazează pe centre de culoare din siliciu (defecte de rețea care generează emisii optice la lungimi de undă de telecomunicații în jur de 1300 nm) beneficiază de scalabilitatea inerentă a tehnicilor de nanofabricare a siliciului, emitând în același timp fotoni unici cu un nivel ridicat de indistingere (coerență). ) necesare pentru întanglementarea cuantică.

„Ca un prim pas în această direcție”, adaugă Häffner, „planificăm să demonstrăm teleportarea în stare cuantică de la un singur foton emis dintr-un centru de culoare de siliciu la un Ca⁺ qubit prin atenuarea problemei nepotrivirii spectrale dintre aceste două sisteme cuantice.”

Foaia de parcurs QUANT-NET

Pe măsură ce QUANT-NET se apropie de punctul său intermediar, scopul pentru Monga, Häffner și colegii este să caracterizeze performanța componentelor de test discrete în mod independent, înainte de integrarea și reglarea acestor elemente într-un banc de testare de cercetare operațională. „Având în vedere principiile sistemului de rețea, accentul nostru se va concentra și pe automatizarea diferitelor elemente ale unui banc de testare a rețelei cuantice care, de obicei, ar putea fi reglate sau calibrate manual într-un mediu de laborator”, spune Monga.

Alinierea priorităților de cercetare și dezvoltare QUANT-NET cu alte inițiative de rețele cuantice din întreaga lume este, de asemenea, crucială – deși abordările diferite și poate incompatibile vor fi probabil norma, având în vedere natura exploratorie a acestui efort de cercetare colectivă. „Avem nevoie de multe flori pentru a înflori deocamdată”, notează Monga, „astfel încât să putem aborda cele mai promițătoare tehnologii de comunicare cuantică și software-ul și arhitecturile asociate de control al rețelei.”

Pe termen mai lung, Monga dorește să asigure finanțare suplimentară DOE, astfel încât bancul de testare QUANT-NET să poată scala în termeni de acoperire și complexitate. „Sperăm că abordarea noastră de test va permite integrarea mai ușoară a tehnologiilor cuantice promițătoare din alte echipe de cercetare și din industrie”, conchide el. „Acest lucru, la rândul său, va asigura un ciclu rapid prototip-test-integrare pentru a sprijini inovația... și va contribui la o înțelegere accelerată a modului de construire a unui internet cuantic scalabil care coexistă cu internetul clasic.”

Lecturi suplimentare

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: Un banc de testare pentru cercetarea rețelelor cuantice pe fibră implementată. QuNet '23, pp 31-37 (10 – 142023 septembrie; New York, NY, SUA)

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/