Inovacije QUANT-NET-a na testni napravi: ponovna zasnova kvantnega omrežja – Physics World

Današnji internet distribuira klasične bite in bajte informacij na globalne, tudi medzvezdne razdalje. Po drugi strani pa bo kvantni internet prihodnosti omogočil oddaljeno povezovanje, manipulacijo in shranjevanje kvantnih informacij – prek distribucije kvantne prepletenosti z uporabo fotonov – po fizično oddaljenih kvantnih vozliščih znotraj metropolitanskih, regionalnih in optičnih omrežij na dolge razdalje. Priložnosti so prepričljive in se že kažejo za znanost, nacionalno varnost in širše gospodarstvo.

Z izkoriščanjem načel kvantne mehanike – na primer superpozicije, zapletanja in izreka o prepovedi kloniranja – bodo kvantna omrežja omogočila vse vrste edinstvenih aplikacij, ki niso možne s klasičnimi omrežnimi tehnologijami. Pomislite na kvantno šifrirane komunikacijske sheme za vlado, finance, zdravstvo in vojsko; kvantno zaznavanje in meroslovje ultra visoke ločljivosti za znanstvene raziskave in medicino; in navsezadnje implementacija kvantnih računalniških virov v velikem obsegu, ki so varno povezani v globalnih omrežjih.

Trenutno pa so kvantna omrežja še vedno v povojih, saj raziskovalna skupnost, velika tehnološka podjetja (podjetja, kot so IBM, Amazon, Google in Microsoft) in val novoustanovljenih podjetij, financiranih s tveganimi podjetji, vsi sledijo raznolikim raziskovalnim in razvojnim potem v smeri praktične funkcionalnosti in izvajanje. Študija primera v zvezi s tem je QUANT-NET, 12.5 milijona dolarjev vredna petletna pobuda za raziskave in razvoj, ki jo podpira ameriško ministrstvo za energijo (DOE) v okviru programa Advanced Scientific Computing Research, s ciljem sestaviti dokaz o načelno kvantno omrežje, testirano za aplikacije porazdeljenega kvantnega računalništva.

Iz laboratorija v omrežje

Skupaj štirje raziskovalni partnerji znotraj konzorcija QUANT-NET – Berkeley Lab (Berkeley, CA); Kalifornijska univerza Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); in Univerza v Innsbrucku (Avstrija) – želita vzpostaviti porazdeljeno kvantno računalniško omrežje s tremi vozlišči med dvema lokacijama (Berkeley Lab in UC Berkeley). Na ta način bo vsako od kvantnih vozlišč povezano prek komunikacijske sheme kvantnega prepletanja prek vnaprej nameščenih telekomunikacijskih vlaken, pri čemer bo vso infrastrukturo preskusne naprave upravljal sklad programske opreme, zgrajen po meri.

"Ko gre za povečanje števila kubitov na enem kvantnem računalniku, je veliko kompleksnih izzivov," pravi Indermohan (Inder) Monga, glavni raziskovalec QUANT-NET in direktor oddelka za znanstveno mreženje v Berkeley Labu in izvršni direktor za energijo Sciences Network (ESnet), visoko zmogljivo omrežno uporabniško orodje DOE (glejte »ESnet: mreženje velike znanosti«). »Toda če je večji računalnik mogoče zgraditi iz mreže več manjših računalnikov,« dodaja, »ali bi morda lahko pospešili skaliranje zmogljivosti kvantnega računalništva – več kubitov, ki v bistvu delujejo v tandemu – s porazdelitvijo kvantne prepletenosti po vlaknenem optična infrastruktura? To je temeljno vprašanje, na katerega poskušamo odgovoriti znotraj QUANT-NET-a.«

Druga motivacija za Mongo in sodelavce je, da kvantne komunikacijske tehnologije prenesejo "iz laboratorija" v resnične omrežne sisteme, ki izkoriščajo telekomunikacijska vlakna, ki so že nameščena v tleh. "Trenutni kvantni omrežni sistemi so še vedno v bistvu eksperimenti fizike v velikosti sobe ali namizja, ki jih natančno prilagajajo in upravljajo podiplomski študentje," pravi Monga.

Kot taka je ena od glavnih nalog ekipe QUANT-NET prikazati tehnologije, ki jih je mogoče uvesti na terenu in bodo sčasoma lahko delovale 24/7 brez posredovanja operaterja. »Kar želimo storiti, je zgraditi sklad programske opreme za orkestracijo in upravljanje vseh tehnologij fizične plasti,« dodaja Monga. "Ali vsaj pridobiti kakšno predstavo o tem, kako bi moral izgledati ta programski sklad v prihodnosti, da bi avtomatizirali visoko hitrost in visoko zvestobo ustvarjanje prepletenosti, distribucijo in shranjevanje na učinkovit, zanesljiv, razširljiv in stroškovno učinkovit način."

Omogočanje kvantnih tehnologij

Če je cilj končne igre QUANT-NET preizkus kandidatov za tehnologije strojne in programske opreme za kvantni internet, je s fizikalnega vidika poučno razpakirati osnovne kvantne gradnike, ki sestavljajo omrežna vozlišča preskusne naprave – namreč ujeti ion kvantni računalniški procesorji; sistemi kvantne frekvenčne pretvorbe; in enofotonski viri silicija na osnovi barvnih središč.

Kar zadeva omrežno infrastrukturo, je bil že dosežen znaten napredek pri načrtovanju in izvajanju preskusne naprave. Infrastruktura preskusne naprave QUANT-NET je dokončana, vključno z gradnjo vlaken (5 km v obsegu) med kvantnimi vozlišči in opremljanjem namenskega kvantnega omrežnega vozlišča v laboratoriju Berkeley. Pripravljeni so tudi začetni načrti za arhitekturo kvantnega omrežja in sklad programske opreme.

Strojnica projekta QUANT-NET je kvantni računalniški procesor z ujetimi ioni, ki temelji na integraciji optične votline z visoko natančnostjo z novo pastjo Ca na osnovi čipa.⁺ ionskih kubitov. Ti ujeti ionski kubiti se bodo povezali prek namenskega kvantnega kanala po omrežni preskusni napravi – posledično pa bodo ustvarili prepletenost na dolge razdalje med porazdeljenimi kvantnimi računalniškimi vozlišči.

»Dokazovanje prepletenosti je ključnega pomena, saj zagotavlja povezavo med oddaljenimi kvantnimi registri, ki jih je mogoče uporabiti za teleportiranje kvantnih informacij med različnimi procesorji ali za izvajanje pogojne logike med njimi,« pravi Hartmut Häffner, ki je glavni raziskovalec pri projektu QUANT-NET. z Mongo in katerega fizikalni laboratorij v kampusu UC Berkeley je drugo vozlišče v preskusni napravi. Enako pomembno je, da se računalniška moč porazdeljenega kvantnega računalnika znatno poveča s številom kubitov, ki jih je mogoče med seboj povezati.

Zapletanje dveh oddaljenih ionskih pasti po omrežju pa še zdaleč ni preprosto. Prvič, vrtenje vsakega iona mora biti zapleteno s polarizacijo oddanega fotona iz njegove ustrezne pasti (glejte »Inženiring in izkoriščanje zapletanja v preskusni napravi QUANT-NET«). Visoko hitrost, visoko zvestoba prepletanja ionov in fotonov v vsakem primeru temelji na posameznih, skoraj infrardečih fotonih, ki se oddajajo pri valovni dolžini 854 nm. Ti fotoni so pretvorjeni v 1550 nm telekomunikacijski pas C, da se zmanjšajo izgube optičnih vlaken, ki vplivajo na kasnejši prenos fotonov med kvantnimi vozlišči UC Berkeley in Berkeley Lab. Skupaj ujeti ioni in fotoni predstavljajo zmagovalno korist, pri čemer prvi zagotavlja stacionarne računalniške kubite; slednji služijo kot "leteči komunikacijski kubiti" za povezovanje porazdeljenih kvantnih vozlišč.

Na bolj zrnati ravni modul za kvantno frekvenčno pretvorbo izkorišča uveljavljene integrirane fotonske tehnologije in tako imenovani »frekvenčni proces razlike«. Na ta način je vhodni 854 nm foton (oddan iz Ca⁺ ion) se koherentno meša z močnim črpalnim poljem pri 1900 nm v nelinearnem mediju, kar daje izhodni telekomunikacijski foton pri 1550 nm. "Bistveno je, da ta tehnika ohranja kvantna stanja vhodnih fotonov, hkrati pa zagotavlja visoko učinkovitost pretvorbe in nizkošumno delovanje za naše načrtovane poskuse," pravi Häffner.

Z zapletom, vzpostavljenim med dvema vozliščema, lahko ekipa QUANT-NET nato demonstrira temeljni gradnik porazdeljenega kvantnega računalništva, v katerem kvantne informacije v enem vozlišču nadzorujejo logiko v drugem. Zlasti se zapletanje in klasična komunikacija uporabljata za teleportiranje kvantnih informacij iz krmilnega vozlišča v ciljno vozlišče, kjer se postopek – kot so nelokalna, nadzorovana NE kvantna logična vrata – nato lahko izvede samo z lokalnimi operacijami.

Nazadnje poteka vzporedni delovni paket za raziskovanje vpliva "heterogenosti" znotraj kvantnega omrežja - ob priznavanju, da bo verjetno uporabljenih več kvantnih tehnologij (in zato povezanih med seboj) v formativnih fazah kvantnega interneta. V zvezi s tem polprevodniške naprave, ki se zanašajo na silicijeve barvne centre (mrežne napake, ki ustvarjajo optične emisije pri telekomunikacijskih valovnih dolžinah okoli 1300 nm), koristijo inherentno razširljivost tehnik nanoizdelave silicija, medtem ko oddajajo posamezne fotone z visoko stopnjo nerazločljivosti (koherenca ), ki je potrebna za kvantno prepletenost.

»Kot prvi korak v tej smeri,« dodaja Häffner, »načrtujemo demonstracijo teleportacije kvantnega stanja iz enega samega fotona, oddanega iz silicijevega barvnega središča v Ca⁺ qubit z ublažitvijo vprašanja spektralne neusklajenosti med tema dvema kvantnima sistemoma.«

Načrt QUANT-NET

Ko se QUANT-NET približuje svoji srednji točki, je cilj Monga, Häffnerja in sodelavcev neodvisno opredeliti delovanje diskretnih komponent preskusne naprave, pred integracijo in nastavitvijo teh elementov v operativno raziskovalno preskusno napravo. »Glede na načela omrežnega sistema v mislih se bomo osredotočili tudi na avtomatizacijo različnih elementov preskusne naprave kvantnega omrežja, ki se običajno lahko ročno nastavi ali umeri v laboratorijskem okolju,« pravi Monga.

Usklajevanje prednostnih nalog raziskav in razvoja QUANT-NET z drugimi pobudami kvantnega mreženja po vsem svetu je prav tako ključnega pomena – čeprav bodo različni in morda nezdružljivi pristopi verjetno norma glede na raziskovalno naravo tega skupnega raziskovalnega prizadevanja. "Zaenkrat potrebujemo veliko rožic," ugotavlja Monga, "tako da se lahko osredotočimo na najbolj obetavne kvantne komunikacijske tehnologije ter s tem povezano programsko opremo in arhitekture za nadzor omrežja."

Dolgoročno želi Monga zagotoviti dodatno financiranje DOE, tako da se lahko preskusna naprava QUANT-NET poveča glede na doseg in kompleksnost. »Upamo, da bo naš pristop k preizkušanju omogočil lažjo integracijo obetavnih kvantnih tehnologij iz drugih raziskovalnih skupin in industrije,« zaključuje. "To bo zagotovilo hiter cikel prototip-test-integracija za podporo inovacijam ... in bo prispevalo k pospešenemu razumevanju, kako zgraditi razširljiv kvantni internet, ki obstaja sočasno s klasičnim internetom."

Nadaljnje branje

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: Preizkušena naprava za kvantne raziskave omrežij prek nameščenih vlaken. QuNet '23, 31 – 37 (10. september–142023; New York, NY, ZDA)

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/