นวัตกรรมทดสอบของ QUANT-NET: จินตนาการใหม่ของเครือข่ายควอนตัม - Physics World

อินเทอร์เน็ตในปัจจุบันกระจายบิตและไบต์ของข้อมูลแบบคลาสสิกไปทั่วโลก แม้กระทั่งในระยะทางระหว่างดวงดาว ในทางกลับกัน อินเทอร์เน็ตควอนตัมแห่งอนาคตจะช่วยให้เกิดการเชื่อมต่อระยะไกล การจัดการ และการจัดเก็บข้อมูลควอนตัม ผ่านการกระจายการพัวพันของควอนตัมโดยใช้โฟตอน ข้ามโหนดควอนตัมที่อยู่ห่างไกลทางกายภาพภายในเครือข่ายออปติคอลในเขตมหานคร ภูมิภาค และระยะไกล โอกาสนี้น่าสนใจและกำลังเข้ามามีบทบาทในด้านวิทยาศาสตร์ ความมั่นคงของชาติ และเศรษฐกิจในวงกว้างแล้ว

ด้วยการใช้ประโยชน์จากหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม เช่น การซ้อนทับ การพัวพัน และทฤษฎีบท "ไม่มีการโคลนนิ่ง" เครือข่ายควอนตัมจะช่วยให้เกิดการใช้งานเฉพาะทุกประเภทที่ไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีเครือข่ายแบบคลาสสิก ลองคิดถึงแผนการสื่อสารที่เข้ารหัสควอนตัมสำหรับภาครัฐ การเงิน การดูแลสุขภาพ และการทหาร การตรวจจับควอนตัมความละเอียดสูงพิเศษและมาตรวิทยาสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการแพทย์ และท้ายที่สุดคือการใช้งานทรัพยากรคอมพิวเตอร์ควอนตัมบนคลาวด์ในวงกว้างที่เชื่อมโยงอย่างปลอดภัยผ่านเครือข่ายทั่วโลก

แม้ว่าในขณะนี้ เครือข่ายควอนตัมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น โดยมีชุมชนการวิจัย เทคโนโลยีขนาดใหญ่ (บริษัท เช่น IBM, Amazon, Google และ Microsoft) และกลุ่มบริษัทสตาร์ทอัพที่ได้รับทุนสนับสนุนร่วมลงทุน ต่างก็แสวงหาเส้นทางการวิจัยและพัฒนาที่หลากหลายไปสู่การทำงานจริงและ การดำเนินการ กรณีศึกษาในเรื่องนี้คือ QUANT-NET ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มด้านการวิจัยและพัฒนามูลค่า 12.5 ล้านเหรียญสหรัฐ ระยะเวลา XNUMX ปี ซึ่งได้รับการสนับสนุนโดยกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (DOE) ภายใต้โครงการวิจัยคอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์ขั้นสูง โดยมีเป้าหมายในการสร้างหลักฐานพิสูจน์- เครือข่ายควอนตัมหลักได้รับการทดสอบสำหรับแอปพลิเคชันการประมวลผลควอนตัมแบบกระจาย

ออกจากห้องปฏิบัติการเข้าสู่เครือข่าย

พันธมิตรด้านการวิจัยสี่รายภายในกลุ่ม QUANT-NET ได้แก่ Berkeley Lab (เบิร์กลีย์ แคลิฟอร์เนีย); มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (UC Berkeley, CA); คาลเทค (พาซาดีนา แคลิฟอร์เนีย); และมหาวิทยาลัยอินส์บรุค (ออสเตรีย) - กำลังพยายามสร้างเครือข่ายคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบกระจายแบบสามโหนดระหว่างสองไซต์ (Berkeley Lab และ UC Berkeley) ด้วยวิธีนี้ แต่ละโหนดควอนตัมจะเชื่อมโยงกันผ่านแผนการสื่อสารควอนตัมพัวพันผ่านไฟเบอร์โทรคมนาคมที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้า โดยมีโครงสร้างพื้นฐานทดสอบทั้งหมดที่ได้รับการจัดการโดยสแต็กซอฟต์แวร์ที่สร้างขึ้นเอง

“มีความท้าทายที่ซับซ้อนมากมายเมื่อต้องขยายจำนวนคิวบิตบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องเดียว” Indermohan (Inder) Monga นักวิจัยหลักของ QUANT-NET และผู้อำนวยการแผนกเครือข่ายวิทยาศาสตร์ที่ Berkeley Lab และผู้อำนวยการบริหารฝ่ายพลังงานกล่าว Sciences Network (ESnet) สิ่งอำนวยความสะดวกผู้ใช้เครือข่ายประสิทธิภาพสูงของ DOE (ดู “ESnet: การสร้างเครือข่ายวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่”) “แต่หากสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ขึ้นจากเครือข่ายของคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กหลายเครื่องได้” เขากล่าวเสริม “เราอาจจะเร่งขยายขีดความสามารถของการประมวลผลควอนตัม โดยหลักๆ แล้ว คิวบิตจะทำงานควบคู่กันมากขึ้น โดยการกระจายการพันกันของควอนตัมผ่านไฟเบอร์- โครงสร้างพื้นฐานด้านออปติก? นั่นเป็นคำถามพื้นฐานที่เรากำลังพยายามตอบภายใน QUANT-NET”

แรงจูงใจอีกประการหนึ่งสำหรับ Monga และเพื่อนร่วมงานคือการนำเทคโนโลยีการสื่อสารควอนตัม "ออกจากห้องปฏิบัติการ" ไปสู่ระบบเครือข่ายในโลกแห่งความเป็นจริงที่ใช้ประโยชน์จากเส้นใยโทรคมนาคมที่ใช้งานอยู่แล้วในภาคพื้นดิน “ระบบเครือข่ายควอนตัมในปัจจุบันยังคงเป็นการทดลองทางฟิสิกส์ขนาดห้องหรือบนโต๊ะ ได้รับการปรับแต่งและจัดการโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา” Monga กล่าว

ด้วยเหตุนี้ ภารกิจหลักประการหนึ่งของทีมงาน QUANT-NET คือการสาธิตเทคโนโลยีที่สามารถนำไปใช้งานภาคสนามได้ ซึ่งเมื่อเวลาผ่านไป จะสามารถดำเนินการได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันโดยไม่มีการแทรกแซงจากผู้ปฏิบัติงาน “สิ่งที่เราต้องการทำคือสร้างชุดซอฟต์แวร์เพื่อประสานและจัดการเทคโนโลยีฟิสิคัลเลเยอร์ทั้งหมด” Monga กล่าวเสริม “หรืออย่างน้อยก็ทำความเข้าใจว่าซอฟต์แวร์นั้นควรมีลักษณะอย่างไรในอนาคต เพื่อสร้าง การกระจาย และการจัดเก็บสิ่งกีดขวางที่มีอัตราสูงและมีความเที่ยงตรงสูงโดยอัตโนมัติด้วยวิธีที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ ปรับขนาดได้ และคุ้มค่า”

การเปิดใช้งานเทคโนโลยีควอนตัม

หากเกมสุดท้ายของ QUANT-NET คือการทดสอบบนถนนเทคโนโลยีฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์สำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัม จะเป็นแนวทางจากมุมมองทางฟิสิกส์ให้แกะบล็อคการสร้างควอนตัมหลักที่ประกอบเป็นโหนดเครือข่ายของเตียงทดสอบ กล่าวคือ ไอออนที่ติดอยู่ โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ควอนตัม ระบบการแปลงความถี่ควอนตัม และแหล่งซิลิคอนโฟตอนเดี่ยวที่มีศูนย์กลางสี

ในส่วนที่เกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานด้านเครือข่าย มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการออกแบบและการใช้งานแบบทดสอบ โครงสร้างพื้นฐานทดสอบ QUANT-NET เสร็จสมบูรณ์แล้ว ซึ่งรวมถึงการสร้างไฟเบอร์ (ระยะทาง 5  กม.) ระหว่างโหนดควอนตัม บวกกับการติดตั้งฮับเครือข่ายควอนตัมเฉพาะที่ Berkeley Lab การออกแบบเบื้องต้นสำหรับสถาปัตยกรรมเครือข่ายควอนตัมและชุดซอฟต์แวร์ก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน

ห้องเครื่องยนต์ของโครงการ QUANT-NET คือโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบดักจับไอออน ซึ่งอาศัยการบูรณาการช่องแสงที่มีความละเอียดอ่อนสูงเข้ากับกับดักแบบใหม่ที่ใช้ชิปสำหรับ Ca⁺ ไอออนคิวบิต คิวบิตไอออนที่ติดอยู่เหล่านี้จะเชื่อมต่อผ่านช่องสัญญาณควอนตัมเฉพาะบนเครือข่ายที่ทดสอบ ในทางกลับกัน จะทำให้เกิดการพัวพันในระยะไกลระหว่างโหนดการคำนวณควอนตัมแบบกระจาย

“การสาธิตการพัวพันเป็นกุญแจสำคัญ เนื่องจากเป็นการเชื่อมโยงระหว่างการลงทะเบียนควอนตัมระยะไกลที่สามารถใช้เพื่อเคลื่อนย้ายข้อมูลควอนตัมระหว่างโปรเซสเซอร์ที่แตกต่างกันหรือเพื่อดำเนินการตรรกะตามเงื่อนไขระหว่างพวกเขา” Hartmut Häffner ซึ่งเป็นผู้ตรวจสอบหลักของโครงการ QUANT-NET กล่าว กับ Monga และมีห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ในวิทยาเขต UC Berkeley เป็นอีกโหนดหนึ่งในเตียงทดสอบ สิ่งสำคัญไม่แพ้กันคือ พลังการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบกระจายจะปรับขนาดอย่างมีนัยสำคัญตามจำนวนคิวบิตที่สามารถเชื่อมต่อถึงกันในนั้นได้

อย่างไรก็ตาม การจะดักจับไอออนระยะไกลสองตัวทั่วทั้งเครือข่ายนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเลย ขั้นแรก การหมุนของแต่ละไอออนจะต้องพันกันกับโพลาไรเซชันของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากกับดักของมัน (ดู "วิศวกรรมและการใช้ประโยชน์จากสิ่งกีดขวางในชุดทดสอบ QUANT-NET") การพัวพันของไอออน–โฟตอนที่มีความเที่ยงตรงสูงและมีอัตราสูงในแต่ละกรณีอาศัยโฟตอนที่ใกล้อินฟราเรดเดี่ยวที่ปล่อยออกมาที่ความยาวคลื่น 854 nm โฟตอนเหล่านี้ถูกแปลงเป็น C-band ของโทรคมนาคมขนาด 1550 nm เพื่อลดการสูญเสียไฟเบอร์ออปติกซึ่งส่งผลต่อการส่งโฟตอนที่ตามมาระหว่างโหนดควอนตัม UC Berkeley และ Berkeley Lab เมื่อนำมารวมกัน ไอออนและโฟตอนที่ติดอยู่จะเป็นตัวแทนของ win-win โดยไอออนและโฟตอนจะทำหน้าที่เป็นคิวบิตการประมวลผลแบบคงที่ หลังทำหน้าที่เป็น "คิวบิตการสื่อสารการบิน" เพื่อเชื่อมโยงโหนดควอนตัมแบบกระจาย

ในระดับที่ละเอียดมากขึ้น โมดูลการแปลงความถี่ควอนตัมใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีโฟโตนิกแบบบูรณาการและสิ่งที่เรียกว่า "กระบวนการความถี่ที่แตกต่างกัน" ด้วยวิธีนี้ โฟตอนอินพุต 854 nm (ปล่อยออกมาจาก Ca⁺ ไอออน) ถูกผสมอย่างสอดคล้องกันกับสนามปั๊มแรงที่ 1900 nm ในตัวกลางที่ไม่เชิงเส้น ทำให้ได้โฟตอนเอาท์พุตของโทรคมนาคมที่ 1550 nm "สิ่งสำคัญที่สุดคือเทคนิคนี้จะรักษาสถานะควอนตัมของโฟตอนที่ป้อนข้อมูลในขณะเดียวกันก็ให้ประสิทธิภาพในการแปลงสูงและการดำเนินการที่มีเสียงรบกวนต่ำสำหรับการทดลองตามแผนของเรา" Häffnerกล่าว

ด้วยความพัวพันที่เกิดขึ้นระหว่างสองโหนด ทีมงาน QUANT-NET จึงสามารถสาธิตโครงสร้างพื้นฐานของการคำนวณควอนตัมแบบกระจาย ซึ่งข้อมูลควอนตัมในโหนดหนึ่งจะควบคุมตรรกะในอีกโหนดหนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การพัวพันและการสื่อสารแบบคลาสสิกใช้ในการเคลื่อนย้ายข้อมูลควอนตัมจากโหนดควบคุมไปยังโหนดเป้าหมาย โดยที่กระบวนการ เช่น ประตูลอจิกควอนตัมที่ไม่ใช่แบบท้องถิ่นที่ควบคุมไม่ได้ จะสามารถดำเนินการได้ด้วยการดำเนินการเฉพาะที่เท่านั้น

ในที่สุด แพ็คเกจการทำงานแบบคู่ขนานกำลังอยู่ในระหว่างการสำรวจผลกระทบของ "ความแตกต่าง" ภายในเครือข่ายควอนตัม โดยยอมรับว่าเทคโนโลยีควอนตัมหลายอย่างมีแนวโน้มที่จะถูกปรับใช้ (และเชื่อมต่อถึงกัน) ในขั้นตอนการก่อสร้างของอินเทอร์เน็ตควอนตัม ในเรื่องนี้ อุปกรณ์โซลิดสเตตที่ใช้ศูนย์กลางสีซิลิกอน (ข้อบกพร่องขัดแตะที่สร้างการปล่อยแสงที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคมประมาณ 1300 nm) ได้รับประโยชน์จากความสามารถในการปรับขนาดโดยธรรมชาติของเทคนิคนาโนแฟบริเคชันของซิลิคอน ในขณะที่ปล่อยโฟตอนเดี่ยวที่มีระดับที่ไม่สามารถแยกแยะออกได้ในระดับสูง (การเชื่อมโยงกัน ) ที่จำเป็นสำหรับการพัวพันควอนตัม

"ในก้าวแรกในทิศทางนี้" Häffner กล่าวเสริม "เราวางแผนที่จะสาธิตการเคลื่อนย้ายมวลสารในสถานะควอนตัมจากโฟตอนเดี่ยวที่ปล่อยออกมาจากศูนย์กลางสีซิลิคอนไปยัง Ca⁺ qubit โดยบรรเทาปัญหาสเปกตรัมที่ไม่ตรงกันระหว่างระบบควอนตัมทั้งสองนี้”

แผนงาน QUANT-NET

ในขณะที่ QUANT-NET เข้าใกล้จุดกึ่งกลาง เป้าหมายของ Monga, Häffner และเพื่อนร่วมงานคือการจำแนกลักษณะการทำงานของส่วนประกอบทดสอบแบบแยกส่วนอย่างเป็นอิสระ ก่อนที่จะบูรณาการและปรับแต่งองค์ประกอบเหล่านี้ให้เป็นวิจัยเชิงปฏิบัติการ “เมื่อคำนึงถึงหลักการของระบบเครือข่ายแล้ว จุดเน้นของเราก็คือการทำให้องค์ประกอบต่างๆ ของเครือข่ายควอนตัมที่ทดสอบเป็นแบบอัตโนมัติ ซึ่งโดยปกติแล้วอาจมีการปรับแต่งหรือสอบเทียบด้วยตนเองในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ” Monga กล่าว

การจัดลำดับความสำคัญด้านการวิจัยและพัฒนาของ QUANT-NET เข้ากับโครงการริเริ่มเครือข่ายควอนตัมอื่นๆ ทั่วโลกก็มีความสำคัญเช่นกัน แม้ว่าจะมีแนวทางที่แตกต่างกันและบางทีเข้ากันไม่ได้ แต่ก็อาจเป็นบรรทัดฐานเมื่อพิจารณาจากลักษณะการสำรวจของความพยายามวิจัยโดยรวมนี้ “เราต้องการดอกไม้จำนวนมากที่จะบานสะพรั่งในตอนนี้” Monga กล่าว “เพื่อที่เราจะได้สามารถเข้าถึงเทคโนโลยีการสื่อสารควอนตัมที่มีแนวโน้มดีที่สุด ตลอดจนซอฟต์แวร์และสถาปัตยกรรมควบคุมเครือข่ายที่เกี่ยวข้อง”

ในระยะยาว Monga ต้องการได้รับเงินทุน DOE เพิ่มเติม เพื่อให้การทดสอบ QUANT-NET สามารถขยายขนาดในแง่ของการเข้าถึงและความซับซ้อน “เราหวังว่าแนวทางการทดสอบของเราจะช่วยให้สามารถบูรณาการเทคโนโลยีควอนตัมที่มีแนวโน้มดีจากทีมวิจัยและอุตสาหกรรมอื่นๆ ได้ง่ายขึ้น” เขากล่าวสรุป “สิ่งนี้จะทำให้เกิดวงจรต้นแบบ – ทดสอบ – รวมอย่างรวดเร็วเพื่อสนับสนุนนวัตกรรม… และจะช่วยเพิ่มความเข้าใจอย่างรวดเร็วเกี่ยวกับวิธีการสร้างอินเทอร์เน็ตควอนตัมที่ปรับขนาดได้ซึ่งอยู่ร่วมกับอินเทอร์เน็ตแบบคลาสสิก”

อ่านเพิ่มเติม

อินเดอร์มองก้า เอตอัล QUANT-NET ปี 2023: พื้นที่ทดสอบสำหรับการวิจัยเครือข่ายควอนตัมเกี่ยวกับไฟเบอร์ที่ใช้งาน คิวเน็ต '23, pp 31 – 37 (10-142023 กันยายน XNUMX; นิวยอร์ก, NY, สหรัฐอเมริกา)

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/