Инновации испытательного стенда QUANT-NET: переосмысление квантовой сети – Мир физики

Сегодняшний Интернет распространяет классические биты и байты информации на глобальные, даже межзвездные расстояния. Квантовый Интернет завтрашнего дня, с другой стороны, позволит удаленно подключаться, манипулировать и хранить квантовую информацию – посредством распределения квантовой запутанности с помощью фотонов – между физически удаленными квантовыми узлами в городских, региональных и магистральных оптических сетях. Возможности привлекательны и уже становятся очевидными для науки, национальной безопасности и экономики в целом.

Используя принципы квантовой механики – например, суперпозицию, запутанность и теорему о запрете клонирования – квантовые сети позволят реализовать всевозможные уникальные приложения, которые невозможны с помощью классических сетевых технологий. Подумайте о схемах связи с квантовым шифрованием для правительства, финансов, здравоохранения и вооруженных сил; квантовое зондирование и метрология сверхвысокого разрешения для научных исследований и медицины; и, в конечном итоге, внедрение масштабных облачных ресурсов квантовых вычислений, надежно связанных между собой через глобальные сети.

Однако сейчас квантовые сети все еще находятся в зачаточном состоянии: исследовательское сообщество, крупные технологические компании (такие компании, как IBM, Amazon, Google и Microsoft) и волна стартапов, финансируемых венчурным капиталом, преследуют разнообразные пути исследований и разработок в направлении практической функциональности и выполнение. Тематическим исследованием в этом отношении является QUANT-NET, пятилетняя инициатива в области НИОКР стоимостью 12.5 миллионов долларов, поддерживаемая Министерством энергетики США (DOE) в рамках программы перспективных научных компьютерных исследований с целью создания доказательства Принцип квантовой сети, протестированный для приложений распределенных квантовых вычислений.

Из лаборатории в сеть

В совокупности четыре исследовательских партнера в составе консорциума QUANT-NET – Berkeley Lab (Беркли, Калифорния); Калифорнийский университет в Беркли (UC Berkeley, CA); Калифорнийский технологический институт (Пасадена, Калифорния); и Инсбрукский университет (Австрия) – стремятся создать трехузловую распределенную сеть квантовых вычислений между двумя площадками (Лаборатория Беркли и Калифорнийский университет в Беркли). Таким образом, каждый из квантовых узлов будет связан через схему квантовой запутанности через предварительно установленное телекоммуникационное волокно, а вся инфраструктура испытательного стенда будет управляться специально созданным программным стеком.

«Когда дело доходит до увеличения количества кубитов в одном квантовом компьютере, возникает множество сложных задач», — говорит Индермохан (Индер) Монга, главный исследователь QUANT-NET и директор отдела научных сетей в лаборатории Беркли и исполнительный директор Energy Science Network (ESnet), высокопроизводительная сеть пользователей Министерства энергетики (см. «ESnet: объединение крупномасштабных научных сетей»). «Но если компьютер большего размера можно построить из сети нескольких компьютеров меньшего размера», — добавляет он, — «можем ли мы, возможно, ускорить масштабирование возможностей квантовых вычислений — по сути, больше кубитов, работающих в тандеме — путем распределения квантовой запутанности по оптоволокну?» оптическая инфраструктура? Это фундаментальный вопрос, на который мы пытаемся ответить в QUANT-NET».

Еще одна мотивация для Монги и его коллег — перенести технологии квантовой связи «из лаборатории» в реальные сетевые системы, использующие телекоммуникационные волокна, уже развернутые на земле. «Современные квантовые сетевые системы по-прежнему представляют собой физические эксперименты размером с комнату или настольные физические эксперименты, которые точно настраиваются и управляются аспирантами», — говорит Монга.

Таким образом, одной из основных задач команды QUANT-NET является демонстрация развертываемых в полевых условиях технологий, которые со временем смогут работать 24/7 без вмешательства оператора. «Мы хотим создать стек программного обеспечения для координации и управления всеми технологиями физического уровня», — добавляет Монга. «Или, по крайней мере, получить некоторое представление о том, как этот программный стек должен выглядеть в будущем, чтобы автоматизировать высокоскоростное и точное создание, распространение и хранение запутанных данных эффективным, надежным, масштабируемым и экономичным способом».

Использование квантовых технологий

Если конечная цель QUANT-NET заключается в дорожном тестировании потенциальных аппаратных и программных технологий для квантового Интернета, то с точки зрения физики поучительно распаковать основные квантовые строительные блоки, из которых состоят сетевые узлы испытательного стенда, а именно, захваченные ионы. процессоры квантовых вычислений; квантовые системы преобразования частоты; и однофотонные кремниевые источники на основе центров окраски.

Что касается сетевой инфраструктуры, то уже достигнут значительный прогресс в проектировании и внедрении испытательного стенда. Инфраструктура испытательного стенда QUANT-NET завершена, включая прокладку оптоволокна (протяженностью 5 км) между квантовыми узлами, а также оснащение выделенного узла квантовой сети в лаборатории Беркли. Также имеются первоначальные проекты архитектуры квантовой сети и стека программного обеспечения.

Основой проекта QUANT-NET является квантовый вычислительный процессор с захваченными ионами, в основе которого лежит интеграция высокоточного оптического резонатора с новой микросхемной ловушкой для Ca.⁺ ионные кубиты. Эти кубиты с захваченными ионами будут соединяться через выделенный квантовый канал через испытательный стенд сети, что, в свою очередь, создает запутанность на больших расстояниях между распределенными узлами квантовых вычислений.

«Демонстрация запутанности является ключевым моментом, поскольку она обеспечивает связь между удаленными квантовыми регистрами, которую можно использовать для телепортации квантовой информации между различными процессорами или для выполнения условной логики между ними», — говорит Хартмут Хеффнер, главный исследователь проекта QUANT-NET. с Монгой, и чья физическая лаборатория в кампусе Калифорнийского университета в Беркли является вторым узлом испытательного стенда. Не менее важно и то, что вычислительная мощность распределенного квантового компьютера значительно увеличивается в зависимости от количества кубитов, которые могут быть соединены между собой.

Однако запутать две удаленные ионные ловушки в сети далеко не так просто. Во-первых, спин каждого иона должен быть запутан с поляризацией фотона, излучаемого из соответствующей ловушки (см. «Разработка и использование запутанности на испытательном стенде QUANT-NET»). Высокоскоростное и точное ионно-фотонное запутывание в каждом случае основано на одиночных фотонах ближнего инфракрасного диапазона, излучаемых на длине волны 854 нм. Эти фотоны преобразуются в телекоммуникационный C-диапазон с длиной волны 1550 нм, чтобы минимизировать потери в оптоволокне, влияющие на последующую передачу фотонов между квантовыми узлами Калифорнийского университета в Беркли и лаборатории Беркли. Взятые вместе, захваченные ионы и фотоны представляют собой беспроигрышный вариант: первые обеспечивают стационарные вычислительные кубиты; последние служат «летающими коммуникационными кубитами» для связи распределенных квантовых узлов.

На более детальном уровне модуль квантового преобразования частоты использует признанные интегрированные фотонные технологии и так называемый «процесс разностной частоты». Таким образом, входной фотон с длиной волны 854 нм (испущенный из Ca⁺ ион) когерентно смешивается с сильным полем накачки на длине волны 1900 нм в нелинейной среде, давая выходной телекоммуникационный фотон на длине волны 1550 нм. «Важно то, что этот метод сохраняет квантовые состояния входных фотонов, обеспечивая при этом высокую эффективность преобразования и низкий уровень шума для наших запланированных экспериментов», — говорит Хеффнер.

Установив запутанность между двумя узлами, команда QUANT-NET может затем продемонстрировать фундаментальный строительный блок распределенных квантовых вычислений, в котором квантовая информация в одном узле контролирует логику в другом. В частности, запутанность и классическая коммуникация используются для телепортации квантовой информации из управляющего узла в целевой узел, где процесс – например, нелокальный управляемый квантовый логический вентиль НЕ – может затем выполняться только с помощью локальных операций.

Наконец, ведется пакет параллельных работ по изучению влияния «гетерогенности» внутри квантовой сети, признавая, что множество квантовых технологий, вероятно, будут развернуты (и, следовательно, связаны друг с другом) на стадиях формирования квантового Интернета. В этом отношении твердотельные устройства, основанные на кремниевых центрах окраски (дефекты решетки, которые генерируют оптическое излучение на длинах волн телекоммуникаций около 1300 нм), выигрывают от присущей технологиям кремниевого нанопроизводства масштабируемости, излучая при этом одиночные фотоны с высоким уровнем неразличимости (когерентность). ), необходимый для квантовой запутанности.

«В качестве первого шага в этом направлении, — добавляет Хеффнер, — мы планируем продемонстрировать телепортацию квантового состояния одного фотона, испускаемого из кремниевого центра окраски, в кальциевый центр.⁺ кубит, смягчая проблему спектрального несоответствия между этими двумя квантовыми системами».

Дорожная карта QUANT-NET

Поскольку QUANT-NET приближается к середине пути, цель Монги, Хеффнера и коллег состоит в том, чтобы охарактеризовать производительность отдельных компонентов испытательного стенда независимо, прежде чем интегрировать и настраивать эти элементы в испытательный стенд для эксплуатационных исследований. «Учитывая принципы сетевых систем, мы также сосредоточим внимание на автоматизации различных элементов испытательного стенда квантовой сети, которые обычно можно настраивать или калибровать вручную в лабораторных условиях», — говорит Монга.

Согласование приоритетов исследований и разработок QUANT-NET с другими инициативами в области квантовых сетей по всему миру также имеет решающее значение – хотя разные и, возможно, несовместимые подходы, вероятно, станут нормой, учитывая исследовательский характер этой коллективной исследовательской работы. «Сейчас нам нужно много цветов, чтобы расцвести, — отмечает Монга, — чтобы мы могли сосредоточиться на наиболее многообещающих технологиях квантовой связи и соответствующем программном обеспечении и архитектуре управления сетью».

В долгосрочной перспективе Монга хочет обеспечить дополнительное финансирование Министерства энергетики, чтобы испытательный стенд QUANT-NET мог масштабироваться с точки зрения охвата и сложности. «Мы надеемся, что наш подход к испытательному стенду позволит упростить интеграцию перспективных квантовых технологий других исследовательских групп и промышленности», — заключает он. «Это, в свою очередь, обеспечит быстрый цикл прототипирования-тестирования-интеграции для поддержки инноваций… и будет способствовать ускоренному пониманию того, как построить масштабируемый квантовый Интернет, который сосуществует с классическим Интернетом».

Далее

Индер Монга и другие 2023 QUANT-NET: испытательный стенд для исследований квантовых сетей по оптоволокну. КНет '23, pp 31-37 (10–142023 сентября XNUMX г.; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США)

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/