QUANT-NETs testbäddsinnovationer: ombilda kvantnätverket – Physics World

Dagens internet distribuerar klassiska bitar och bytes av information över globala, till och med interstellära, avstånd. Morgondagens kvantinternet, å andra sidan, kommer att möjliggöra fjärranslutning, manipulation och lagring av kvantinformation – genom distribution av kvantintrassling med hjälp av fotoner – över fysiskt avlägsna kvantnoder inom storstads-, regionala och långdistansoptiska nätverk. Möjligheterna är övertygande och dyker redan upp för vetenskap, nationell säkerhet och den bredare ekonomin.

Genom att utnyttja kvantmekanikens principer – superposition, intrassling och "no-cloning"-satsen, till exempel – kommer kvantnätverk att möjliggöra alla möjliga unika tillämpningar som inte är möjliga med klassisk nätverksteknik. Tänk kvantkrypterade kommunikationssystem för regering, finans, sjukvård och militären; ultrahögupplöst kvantavkänning och metrologi för vetenskaplig forskning och medicin; och i slutändan implementeringen av storskaliga molnbaserade kvantberäkningsresurser som är säkert länkade över globala nätverk.

Men just nu är kvantnätverk fortfarande i sin linda, med forskarsamhället, storteknologi (företag som IBM, Amazon, Google och Microsoft) och en våg av riskfinansierade nystartade företag som alla strävar efter olika FoU-vägar mot praktisk funktionalitet och genomförande. En fallstudie i detta avseende är QUANT-NET, ett femårigt FoU-initiativ på 12.5 miljoner USD som stöds av US Department of Energy (DOE), under programmet Advanced Scientific Computing Research, med målet att konstruera ett bevis på- princip kvantnätverk som testats för distribuerade kvantberäkningstillämpningar.

Ut ur labbet, in i nätverket

Tillsammans, de fyra forskningspartnerna inom QUANT-NET-konsortiet – Berkeley Lab (Berkeley, CA); University of California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); och University of Innsbruck (Österrike) – försöker etablera ett distribuerat kvantberäkningsnätverk med tre noder mellan två platser (Berkeley Lab och UC Berkeley). På detta sätt kommer var och en av kvantnoderna att länkas upp via ett kommunikationsschema för kvantentanglement över förinstallerad telekomfiber, med all testbäddsinfrastruktur som hanteras av en specialbyggd mjukvarustack.

"Det finns många komplexa utmaningar när det gäller att skala upp antalet qubits på en enda kvantdator", säger Indermohan (Inder) Monga, QUANT-NETs huvudutredare och chef för den vetenskapliga nätverksavdelningen vid Berkeley Lab och verkställande direktör för Energy Sciences Network (ESnet), DOE:s högpresterande nätverksanvändaranläggning (se "ESnet: nätverkande storskalig vetenskap"). "Men om en större dator kan byggas från ett nätverk av flera mindre datorer," tillägger han, "kan vi kanske snabba upp skalningen av kvantberäkningskapacitet – fler kvantbitar som i huvudsak arbetar tillsammans – genom att distribuera kvantentanglement över en fiber- optisk infrastruktur? Det är den grundläggande frågan vi försöker besvara inom QUANT-NET."

En annan motivation för Monga och kollegor är att ta kvantkommunikationsteknik "ut ur labbet" till verkliga nätverkssystem som utnyttjar telekomfibrer som redan är utplacerade i marken. "Nuvarande kvantnätverkssystem är fortfarande i huvudsak rumstora eller bordsbaserade fysikexperiment, finjusterade och hanterade av doktorander", säger Monga.

Som sådan är en av huvuduppgifterna för QUANT-NET-teamet att demonstrera fältdistribuerbara tekniker som med tiden kommer att kunna fungera 24/7 utan operatörsinblandning. "Vad vi vill göra är att bygga mjukvarustacken för att orkestrera och hantera alla fysiska lagerteknologier," tillägger Monga. "Eller åtminstone få en uppfattning om hur den mjukvarustacken ska se ut i framtiden för att automatisera höghastighets- och högfientlighetsgenerering, distribution och lagring på ett effektivt, tillförlitligt, skalbart och kostnadseffektivt sätt."

Möjliggör kvantteknik

Om QUANT-NET-slutspelet ska testa kandidathård- och mjukvaruteknikerna för kvantinternet, är det lärorikt ur ett fysikperspektiv att packa upp de kärnkvantumbyggstenar som utgör testbäddens nätverksnoder – nämligen fångade-joner kvantberäkningsprocessorer; kvantfrekvensomvandlingssystem; och färgcentrumbaserade kiselkällor med en foton.

När det gäller nätverksinfrastrukturen har det redan gjorts betydande framsteg när det gäller design och implementering av testbädden. QUANT-NETs testbäddsinfrastruktur är komplett, inklusive fiberkonstruktion (5 km i omfattning) mellan kvantnoderna plus inredningen av en dedikerad kvantnätverkshubb vid Berkeley Lab. Inledande konstruktioner för kvantnätverksarkitekturen och mjukvarustacken finns också på plats.

Maskinrummet i QUANT-NET-projektet är fångade-jon-kvantberäkningsprocessorn, som bygger på integrationen av en högfinish optisk kavitet med en ny chipbaserad fälla för Ca.⁺ jonqubits. Dessa fångade-jon-qubits kommer att ansluta via en dedikerad kvantkanal över nätverkets testbädd – i sin tur, skapa långdistansförveckling mellan distribuerade kvantberäkningsnoder.

"Att demonstrera intrassling är nyckeln eftersom det ger en länk mellan de avlägsna kvantregistren som kan användas för att teleportera kvantinformation mellan olika processorer eller för att exekvera villkorlig logik mellan dem", säger Hartmut Häffner, som är huvudutredare i QUANT-NET-projektet med Monga, och vars fysiklabb på UC Berkeley campus är den andra noden i testbädden. Lika viktigt är att beräkningskraften hos en distribuerad kvantdator skalas avsevärt med antalet kvantbitar som kan kopplas samman däri.

Att trassla in två avlägsna jonfällor över nätverket är dock långt ifrån okomplicerat. Först måste varje jons spinn intrasslas med polarisationen av en emitterad foton från dess respektive fälla (se "Konstruera och utnyttja intrassling i QUANT-NET-testbädden"). Den höghastighets, högtrogna jon-foton-intrasslingen förlitar sig i varje fall på enstaka, nära-infraröda fotoner som emitteras vid en våglängd av 854 nm. Dessa fotoner omvandlas till 1550 nm telekom C-band för att minimera fiberoptiska förluster som påverkar efterföljande fotonöverföring mellan UC Berkeley och Berkeley Labs kvantnoder. Sammantaget representerar fångade joner och fotoner en win-win, där de förstnämnda tillhandahåller de stationära beräkningsbitarna; den senare fungerar som "flygande kommunikationsqubits" för att länka ihop de distribuerade kvantnoderna.

På en mer granulär nivå utnyttjar modulen för kvantfrekvensomvandling etablerade integrerade fotoniska teknologier och den så kallade "differensfrekvensprocessen". På detta sätt kan en ingångsfoton på 854 nm (emitteras från en Ca⁺ jon) blandas koherent med ett starkt pumpfält vid 1900 nm i ett olinjärt medium, vilket ger en utgående telekomfoton vid 1550 nm. "Det är avgörande att den här tekniken bevarar kvanttillstånden för ingångsfotonerna samtidigt som den ger hög omvandlingseffektivitet och lågbrusdrift för våra planerade experiment", säger Häffner.

Med intrassling etablerad mellan två noder kan QUANT-NET-teamet sedan demonstrera den grundläggande byggstenen för distribuerad kvantberäkning, där kvantinformationen i en nod styr logiken i den andra. I synnerhet används intrassling och klassisk kommunikation för att teleportera kvantinformation från den styrande noden till målnoden, där processen – såsom en icke-lokal, kontrollerad INTE kvantlogikgrind – sedan kan exekveras med endast lokala operationer.

Slutligen pågår ett parallellt arbetspaket för att utforska effekterna av "heterogenitet" inom kvantnätverket - med erkännande av att flera kvantteknologier sannolikt kommer att distribueras (och därför kopplas till varandra) i de formativa stadierna av kvantinternet. I detta avseende drar solid state-enheter som förlitar sig på kiselfärgcentra (gitterdefekter som genererar optisk emission vid telekommunikationsvåglängder runt 1300 nm) nytta av den inneboende skalbarheten hos kiselnanotillverkningstekniker, samtidigt som de sänder ut enstaka fotoner med en hög nivå av oegentlighet. ) krävs för kvantintrassling.

"Som ett första steg i den här riktningen," tillägger Häffner, "planerar vi att demonstrera kvanttillståndsteleportation från en enskild foton som emitteras från ett kiselfärgcentrum till ett Ca.⁺ qubit genom att lindra problemet med spektral oöverensstämmelse mellan dessa två kvantsystem."

QUANT-NET färdplanen

När QUANT-NET närmar sig halvvägs är målet för Monga, Häffner och kollegor att karakterisera prestandan hos diskreta testbäddskomponenter oberoende, innan integration och justering av dessa element till en operativ forskningstestbädd. "Med nätverkssystemprinciper i åtanke kommer vårt fokus också att vara på att automatisera de olika delarna av ett kvantnätverkstestbädd som vanligtvis kan ställas in manuellt eller kalibreras i en labbmiljö", säger Monga.

Att anpassa QUANT-NET FoU-prioriteringar med andra kvantnätverksinitiativ runt om i världen är också avgörande – även om olika, och kanske oförenliga, tillvägagångssätt förmodligen kommer att vara normen med tanke på den utforskande karaktären hos denna kollektiva forskningssträvan. "Vi behöver många blommor för att blomma för tillfället", noterar Monga, "så att vi kan ta del av de mest lovande kvantkommunikationsteknikerna och tillhörande programvara och arkitekturer för nätverkskontroll."

På längre sikt vill Monga säkra ytterligare DOE-finansiering, så att QUANT-NET testbädden kan skalas i termer av räckvidd och komplexitet. "Vi hoppas att vår testbäddsmetod kommer att möjliggöra enklare integration av lovande kvantteknologier från andra forskarlag och industri", avslutar han. "Detta kommer i sin tur att ge en snabb prototyp-test-integreringscykel för att stödja innovation ... och kommer att bidra till en accelererad förståelse för hur man bygger ett skalbart kvantinternet som samexisterar med det klassiska internet."

Ytterligare läsning

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: En testbädd för kvantnätverksforskning över distribuerad fiber. QuNet '23, pp 31-37 (10 september–142023; New York, NY, USA)

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/