QUANT-NET'in test ortamı yenilikleri: kuantum ağını yeniden tasarlamak – Fizik Dünyası

Günümüzün interneti, klasik bit ve byte'larca bilgiyi küresel, hatta yıldızlararası mesafelere dağıtıyor. Öte yandan yarının kuantum interneti, metropol, bölgesel ve uzun mesafeli optik ağlar içindeki fiziksel olarak uzak kuantum düğümleri arasında kuantum dolaşıklığın fotonlar kullanılarak dağıtılması yoluyla kuantum bilgilerinin uzaktan bağlanmasını, manipülasyonunu ve depolanmasını mümkün kılacaktır. Bilim, ulusal güvenlik ve daha geniş anlamda ekonomi için fırsatlar çok zorlayıcı ve şimdiden ortaya çıkıyor.

Kuantum mekaniğinin ilkelerinden yararlanarak (örneğin süperpozisyon, dolaşma ve "klonlama yapmama" teoremi) kuantum ağları, klasik ağ teknolojileriyle mümkün olmayan her türlü benzersiz uygulamayı mümkün kılacaktır. Hükümet, finans, sağlık hizmetleri ve orduya yönelik kuantum şifreli iletişim planlarını düşünün; bilimsel araştırma ve tıp için ultra yüksek çözünürlüklü kuantum algılama ve metroloji; ve sonuçta, küresel ağlar arasında güvenli bir şekilde bağlanan, uygun ölçekte, bulut tabanlı kuantum bilgi işlem kaynaklarının uygulanması.

Ancak şu anda kuantum ağları, araştırma topluluğu, büyük teknoloji (IBM, Amazon, Google ve Microsoft gibi şirketler) ve girişim finansmanlı start-up'lar dalgasıyla birlikte, hepsi pratik işlevsellik ve uygulama. Bu bağlamda bir örnek çalışma, Gelişmiş Bilimsel Bilgi İşlem Araştırma programı kapsamında ABD Enerji Bakanlığı (DOE) tarafından desteklenen, 12.5 milyon dolarlık, beş yıllık bir Ar-Ge girişimi olan QUANT-NET'tir. dağıtılmış kuantum hesaplama uygulamaları için test edilen prensip kuantum ağı.

Laboratuvarın dışında ağa

QUANT-NET konsorsiyumundaki dört araştırma ortağı toplu olarak - Berkeley Lab (Berkeley, CA); California Berkeley Üniversitesi (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); ve Innsbruck Üniversitesi (Avusturya) iki tesis (Berkeley Lab ve UC Berkeley) arasında üç düğümlü, dağıtılmış bir kuantum hesaplama ağı kurmaya çalışıyor. Bu şekilde, kuantum düğümlerinin her biri, önceden kurulmuş telekomünikasyon fiberi üzerinden bir kuantum dolaşma iletişim şeması aracılığıyla bağlanacak ve tüm test ortamı altyapısı özel olarak oluşturulmuş bir yazılım yığını tarafından yönetilecek.

Berkeley Laboratuvarı'nda QUANT-NET baş araştırmacısı ve bilimsel ağ oluşturma bölümünün yöneticisi ve Energy'nin genel müdürü Indermohan (Inder) Monga, "Tek bir kuantum bilgisayardaki kübit sayısını artırmaya gelince pek çok karmaşık zorlukla karşılaşıyoruz" diyor. Bilim Ağı (ESnet), DOE'nin yüksek performanslı ağ kullanıcı tesisi (bkz. “ESnet: büyük ölçekli bilimin ağ oluşturması”). "Fakat eğer birden fazla küçük bilgisayardan oluşan bir ağdan daha büyük bir bilgisayar oluşturulabiliyorsa," diye ekliyor, "kuantum dolaşıklığını bir fiber üzerinden dağıtarak kuantum hesaplama yeteneğinin ölçeklendirilmesini (esasen daha fazla kübitin birlikte çalışması) hızlandırabilir miyiz? optik altyapı? QUANT-NET'te yanıtlamaya çalıştığımız temel soru bu."

Monga ve meslektaşlarının bir diğer motivasyonu da kuantum iletişim teknolojilerini "laboratuvardan" alıp, halihazırda yerde konuşlandırılmış telekomünikasyon fiberlerini kullanan gerçek dünya ağ sistemlerine taşımaktır. Monga, "Mevcut kuantum ağ sistemleri hâlâ oda boyutunda veya masa üstü fizik deneylerinden oluşuyor, ince ayarlar yapılıyor ve lisansüstü öğrenciler tarafından yönetiliyor" diyor.

Bu nedenle QUANT-NET ekibinin ana görevlerinden biri, zaman içinde operatör müdahalesi olmadan 24/7 çalışabilecek sahada konuşlandırılabilir teknolojileri göstermektir. Monga, "Yapmak istediğimiz şey, tüm fiziksel katman teknolojilerini düzenlemek ve yönetmek için yazılım yığını oluşturmaktır" diye ekliyor. "Ya da en azından, yüksek hızlı ve yüksek doğrulukta dolaşma üretimini, dağıtımını ve depolamasını verimli, güvenilir, ölçeklenebilir ve uygun maliyetli bir şekilde otomatikleştirmek için bu yazılım yığınının gelecekte nasıl görünmesi gerektiğine dair bir fikir edinin."

Kuantum teknolojilerini etkinleştirme

QUANT-NET'in oyunun son aşaması, kuantum internet için aday donanım ve yazılım teknolojilerini yol testine tabi tutmaksa, test ortamının ağ düğümlerini oluşturan çekirdek kuantum yapı taşlarını (yani tuzaklanmış iyonları) açmak fizik açısından öğreticidir. kuantum hesaplama işlemcileri; kuantum frekans dönüştürme sistemleri; ve renk merkezi tabanlı, tek fotonlu silikon kaynakları.

Ağ altyapısıyla ilgili olarak, test ortamı tasarımı ve uygulanması konusunda halihazırda önemli ilerlemeler kaydedildi. QUANT-NET test ortamı altyapısı, kuantum düğümleri arasındaki fiber inşaatı (5 km genişliğinde) ve Berkeley Laboratuvarı'ndaki özel bir kuantum ağ merkezinin kurulumu da dahil olmak üzere tamamlandı. Kuantum ağ mimarisi ve yazılım yığınına yönelik ilk tasarımlar da mevcuttur.

QUANT-NET projesinin makine dairesi, yüksek hassasiyetli bir optik boşluğun Ca için yeni bir çip tabanlı tuzakla entegrasyonuna dayanan tuzaklanmış iyon kuantum hesaplama işlemcisinden oluşuyor.⁺ iyon kübitleri. Bu tuzaklanmış iyon kübitleri, ağ test yatağı boyunca özel bir kuantum kanalı aracılığıyla bağlanacak ve bu da dağıtılmış kuantum hesaplama düğümleri arasında uzun mesafeli dolaşma yaratacak.

QUANT-NET projesinde baş araştırmacı olan Hartmut Häffner, "Dolaşıklığın gösterilmesi, farklı işlemciler arasındaki kuantum bilgilerinin ışınlanması veya aralarında koşullu mantığın yürütülmesi için kullanılabilecek uzak kuantum kayıtları arasında bir bağlantı sağladığı için çok önemlidir" diyor. Monga ile birlikte ve UC Berkeley kampüsündeki fizik laboratuvarı test ortamındaki diğer düğümdür. Aynı derecede önemli olan, dağıtılmış bir kuantum bilgisayarın bilgi işlem gücünün, birbirine bağlanabilecek kübitlerin sayısıyla önemli ölçüde ölçeklenmesidir.

Ancak ağdaki iki uzak iyon tuzağını dolaştırmak hiç de kolay değil. İlk olarak, her iyonun spini, ilgili tuzaktan yayılan bir fotonun polarizasyonuyla dolaştırılmalıdır (bkz. “QUANT-NET test ortamında dolaşma mühendisliği ve kullanılması”). Her durumda yüksek hızlı, yüksek doğruluklu iyon-foton dolaşıklığı, 854 nm dalga boyunda yayılan tek, yakın kızılötesi fotonlara dayanır. Bu fotonlar, UC Berkeley ve Berkeley Lab kuantum düğümleri arasındaki sonraki foton iletimini etkileyen fiber optik kayıpları en aza indirmek için 1550 nm telekomünikasyon C bandına dönüştürülür. Birlikte ele alındığında, sıkışıp kalan iyonlar ve fotonlar bir kazan-kazan durumunu temsil ediyor; birincisi sabit hesaplama kübitlerini sağlıyor; ikincisi, dağıtılmış kuantum düğümlerini birbirine bağlamak için "uçan iletişim kubitleri" görevi görüyor.

Daha ayrıntılı bir düzeyde, kuantum frekans dönüştürme modülü, yerleşik entegre fotonik teknolojilerden ve "fark frekans süreci" olarak adlandırılan süreçten yararlanır. Bu şekilde, 854 nm'lik bir giriş fotonu (Ca⁺ iyon), doğrusal olmayan bir ortamda 1900 nm'de güçlü bir pompa alanıyla tutarlı bir şekilde karıştırılır ve 1550 nm'de bir çıkış telekom fotonu elde edilir. Häffner, "Bu tekniğin, giriş fotonlarının kuantum durumlarını korurken planladığımız deneylerimiz için yüksek dönüşüm verimliliği ve düşük gürültülü çalışma sağlaması çok önemli" diyor.

QUANT-NET ekibi, iki düğüm arasında kurulan dolaşmayla, bir düğümdeki kuantum bilgisinin diğerindeki mantığı kontrol ettiği dağıtılmış kuantum hesaplamanın temel yapı taşını gösterebiliyor. Özellikle, kuantum bilgisini kontrol eden düğümden hedef düğüme ışınlamak için dolaşma ve klasik iletişim kullanılır; burada süreç (yerel olmayan, kontrollü DEĞİL kuantum mantık kapısı gibi) daha sonra yalnızca yerel işlemlerle yürütülebilir.

Son olarak, kuantum ağı içindeki "heterojenliğin" etkisini araştırmak için paralel bir çalışma paketi yolda - kuantum internetin biçimlendirici aşamalarında birden fazla kuantum teknolojisinin konuşlandırılacağının (ve dolayısıyla birbirleriyle arayüz oluşturacağının) kabul edilmesi. Bu bağlamda, silikon renk merkezlerine (telekomünikasyon dalga boylarında 1300 nm civarında optik emisyon üreten kafes kusurları) dayanan katı hal cihazları, yüksek düzeyde ayırt edilemezliğe (tutarlılık) sahip tek fotonlar yayarken, silikon nano üretim tekniklerinin doğasında olan ölçeklenebilirliğinden yararlanır. ) kuantum dolaşıklığı için gereklidir.

Häffner şunu ekliyor: "Bu yönde atılacak ilk adım olarak, bir silikon renk merkezinden bir Ca2 atomuna yayılan tek bir fotondan kuantum durumundaki ışınlanmayı göstermeyi planlıyoruz."⁺ Bu iki kuantum sistemi arasındaki spektral uyumsuzluk sorununu hafifleterek kübit."

QUANT-NET yol haritası

QUANT-NET orta noktaya yaklaşırken Monga, Häffner ve meslektaşlarının hedefi, bu öğelerin operasyonel bir araştırma test ortamına entegrasyonu ve ayarlanması öncesinde ayrı test ortamı bileşenlerinin performansını bağımsız olarak karakterize etmektir. Monga, "Ağ sistemi ilkelerini göz önünde bulundurarak, odak noktamız aynı zamanda bir kuantum ağı test ortamının, genellikle bir laboratuvar ortamında manuel olarak ayarlanabilen veya kalibre edilebilen çeşitli öğelerini otomatikleştirmek olacaktır" diyor.

QUANT-NET Ar-Ge önceliklerini dünyadaki diğer kuantum ağ oluşturma girişimleriyle uyumlu hale getirmek de çok önemlidir; ancak farklı ve belki de uyumsuz yaklaşımlar, bu kolektif araştırma çabasının keşfedici doğası göz önüne alındığında muhtemelen norm olacaktır. Monga, "Şimdilik açacak çok çiçeğe ihtiyacımız var, böylece en umut verici kuantum iletişim teknolojilerine ve ilgili ağ kontrol yazılımı ve mimarilerine odaklanabiliriz."

Uzun vadede Monga, QUANT-NET test ortamının erişim ve karmaşıklık açısından ölçeklenebilmesi için ek DOE finansmanı sağlamak istiyor. "Test ortamı yaklaşımımızın diğer araştırma ekipleri ve endüstriden gelecek vaat eden kuantum teknolojilerinin daha kolay entegrasyonunu sağlayacağını umuyoruz" diye bitiriyor. "Bu da yeniliği desteklemek için hızlı bir prototip-test-entegrasyon döngüsü sağlayacak...ve klasik internetle birlikte var olan ölçeklenebilir bir kuantum internetin nasıl inşa edileceğine dair daha hızlı bir anlayışa katkıda bulunacak."

Ek okuma

Inder Monga ve ark. 2023 QUANT-NET: Dağıtılmış fiber üzerinden kuantum ağ araştırması için bir test ortamı. QuNet '23, pp 31 – 37 (10 Eylül-142023; New York, NY, ABD)

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/