Інновації тестового стенда QUANT-NET: переосмислення квантової мережі – Physics World

Сучасний Інтернет розповсюджує класичні біти та байти інформації на глобальні, навіть міжзоряні, відстані. З іншого боку, квантовий Інтернет завтрашнього дня забезпечить дистанційне з’єднання, маніпулювання та зберігання квантової інформації – через розповсюдження квантової заплутаності за допомогою фотонів – через фізично віддалені квантові вузли в міських, регіональних і далеких оптичних мережах. Можливості є переконливими та вже відкриваються для науки, національної безпеки та економіки загалом.

Використовуючи принципи квантової механіки – наприклад, суперпозицію, заплутаність і теорему про заборону клонування – квантові мережі забезпечать різноманітні унікальні програми, які неможливі за допомогою класичних мережевих технологій. Подумайте про схеми зв’язку з квантовим шифруванням для уряду, фінансів, охорони здоров’я та військових; квантове зондування та метрологія надвисокої роздільної здатності для наукових досліджень і медицини; і, зрештою, впровадження масштабних хмарних квантових обчислювальних ресурсів, безпечно пов’язаних у глобальних мережах.

Однак зараз квантові мережі все ще перебувають у зародковому стані, а дослідницьке співтовариство, великі технологічні компанії (такі як IBM, Amazon, Google і Microsoft) і хвиля стартапів, що фінансуються венчурним капіталом, шукають різноманітні шляхи досліджень і розробок для практичної функціональності та впровадження. Прикладом у цьому відношенні є QUANT-NET, п’ятирічна науково-дослідна ініціатива вартістю 12.5 мільйонів доларів США, яка підтримується Міністерством енергетики США (DOE) у рамках Програми передових наукових обчислювальних досліджень з метою побудови доказу принципова квантова мережа, протестована для розподілених квантових обчислювальних програм.

З лабораторії в мережу

Разом чотири дослідницькі партнери в консорціумі QUANT-NET – лабораторія Берклі (Берклі, Каліфорнія); Каліфорнійський університет Берклі (UC Berkeley, CA); Каліфорнійський технологічний інститут (Пасадена, Каліфорнія); та Університет Інсбрука (Австрія) – прагнуть створити тривузлову розподілену мережу квантових обчислень між двома сайтами (Лабораторія Берклі та Каліфорнійський університет у Берклі). Таким чином, кожен із квантових вузлів буде з’єднаний за допомогою схеми зв’язку квантової заплутаності через попередньо встановлене телекомунікаційне волокно, а вся інфраструктура випробувального стенда буде керована спеціальним стеком програмного забезпечення.

«Існує багато складних проблем, коли справа доходить до збільшення кількості кубітів на одному квантовому комп’ютері», — каже Індермохан (Індер) Монга, головний дослідник QUANT-NET і директор відділу наукових мереж у лабораторії Берклі та виконавчий директор Energy. Наукова мережа (ESnet), високопродуктивна мережева користувальницька служба Міністерства освіти (див. «ESnet: мережева широкомасштабна наука»). «Але якщо більший комп’ютер можна побудувати з мережі кількох менших комп’ютерів, – додає він, – чи можемо ми, можливо, пришвидшити масштабування квантових обчислювальних можливостей – більше кубітів, що працюють у тандемі – шляхом розподілу квантової заплутаності по волокну-волокну? оптична інфраструктура? Це фундаментальне питання, на яке ми намагаємося відповісти в QUANT-NET».

Інша мотивація для Монги та його колег полягає в тому, щоб вивести квантові комунікаційні технології «з лабораторії» в реальні мережеві системи, які використовують телекомунікаційні волокна, які вже розгорнуті на землі. «Поточні квантові мережеві системи все ще є, по суті, фізичними експериментами розміром з кімнату або настільними, налаштованими та керованими аспірантами», — каже Монга.

Таким чином, одним із головних завдань для команди QUANT-NET є демонстрація польових технологій, які з часом зможуть працювати 24/7 без втручання оператора. «Ми хочемо створити стек програмного забезпечення для оркестрування та керування всіма технологіями фізичного рівня», — додає Монга. «Або, принаймні, отримати деяке уявлення про те, як цей стек програмного забезпечення має виглядати в майбутньому, щоб автоматизувати генерацію, розповсюдження та зберігання високошвидкісних і високоточних зв’язків ефективним, надійним, масштабованим і економічно ефективним способом».

Впровадження квантових технологій

Якщо кінцева гра QUANT-NET полягає в випробуванні потенційних апаратних і програмних технологій для квантового Інтернету, з точки зору фізики було б повчально розпакувати основні квантові будівельні блоки, які складають мережеві вузли випробувального стенда, а саме, захоплені іони. процесори квантових обчислень; квантові системи перетворення частоти; і однофотонні кремнієві джерела на основі центрів забарвлення.

Що стосується мережевої інфраструктури, то вже було досягнуто значного прогресу в проектуванні та реалізації випробувального стенда. Інфраструктура випробувального стенда QUANT-NET завершена, включаючи конструкцію оптоволокна (протяжністю 5 км) між квантовими вузлами, а також обладнання виділеного концентратора квантової мережі в лабораторії Берклі. Початкові проекти для архітектури квантової мережі та програмного стеку також існують.

Машинним залом проекту QUANT-NET є квантовий обчислювальний процесор із захопленими іонами, який базується на інтеграції оптичного резонатора високої точності з новою пасткою Ca на основі чіпа.⁺ іонні кубіти. Ці захоплені іонні кубіти з’єднуватимуться через спеціальний квантовий канал через мережевий випробувальний стенд – у свою чергу, створюючи сплутаність на великій відстані між розподіленими квантовими обчислювальними вузлами.

«Демонстрація заплутаності є ключовою, оскільки вона забезпечує зв’язок між віддаленими квантовими регістрами, які можна використовувати для телепортації квантової інформації між різними процесорами або для виконання умовної логіки між ними», — говорить Хартмут Хеффнер, який є головним дослідником проекту QUANT-NET. з Монгою, і чия фізична лабораторія в кампусі Каліфорнійського університету в Берклі є іншим вузлом у випробувальному стенді. Не менш важливо, що обчислювальна потужність розподіленого квантового комп’ютера значно збільшується залежно від кількості кубітів, які можуть бути з’єднані між собою.

Однак сплутати дві віддалені іонні пастки в мережі далеко не просто. По-перше, обертання кожного іона має бути заплутано з поляризацією випромінюваного фотона з його відповідної пастки (див. «Розробка та використання заплутування в випробувальному стенді QUANT-NET»). Високошвидкісне, високоточне іонно-фотонне заплутування в кожному випадку покладається на окремі фотони ближнього інфрачервоного діапазону, випромінювані на довжині хвилі 854  нм. Ці фотони перетворюються на телекомунікаційний C-діапазон 1550 нм, щоб мінімізувати втрати оптоволокна, що впливають на подальшу передачу фотонів між квантовими вузлами UC Berkeley і Berkeley Lab. Взяті разом, захоплені іони та фотони представляють безпрограшний варіант, причому перші забезпечують стаціонарні обчислювальні кубіти; останні служать «літаючими комунікаційними кубітами» для з’єднання розподілених квантових вузлів.

На більш детальному рівні модуль квантового перетворення частоти використовує усталені інтегровані фотонні технології та так званий «процес різниці частот». Таким чином, вхідний 854 нм фотон (випромінюваний Ca⁺ іон) змішується когерентно з сильним полем накачування при 1900 нм у нелінійному середовищі, що дає вихідний телекомунікаційний фотон при 1550 нм. «Важливо те, що ця техніка зберігає квантові стани вхідних фотонів, одночасно забезпечуючи високу ефективність перетворення та низький рівень шуму для наших запланованих експериментів», — говорить Хеффнер.

Зі зв’язуванням, встановленим між двома вузлами, команда QUANT-NET може продемонструвати фундаментальний будівельний блок розподілених квантових обчислень, у якому квантова інформація в одному вузлі контролює логіку в іншому. Зокрема, заплутаність і класичний зв’язок використовуються для телепортації квантової інформації з керуючого вузла в цільовий вузол, де процес – такий як нелокальний, керований НЕ квантовий логічний вентиль – може бути виконаний лише за допомогою локальних операцій.

Нарешті, паралельний робочий пакет ведеться для вивчення впливу «неоднорідності» всередині квантової мережі, визнаючи, що кілька квантових технологій, ймовірно, будуть розгорнуті (і, отже, взаємодіють одна з одною) на стадіях формування квантового Інтернету. У цьому відношенні твердотільні пристрої, що покладаються на кремнієві центри забарвлення (дефекти решітки, які генерують оптичне випромінювання на телекомунікаційних хвилях близько 1300 нм), виграють від властивої масштабованості методів кремнієвих нанофабрикацій, випромінюючи при цьому окремі фотони з високим рівнем нерозрізнення (когерентність). ), необхідні для квантової заплутаності.

«Як перший крок у цьому напрямку, — додає Хеффнер, — ми плануємо продемонструвати телепортацію квантового стану від одного фотона, випромінюваного з кремнієвого центру кольору до Ca.⁺ кубіт, пом’якшуючи проблему спектральної невідповідності між цими двома квантовими системами».

Дорожня карта QUANT-NET

Оскільки QUANT-NET наближається до своєї середини, мета Монги, Хеффнера та їхніх колег полягає в тому, щоб незалежно охарактеризувати продуктивність окремих компонентів випробувального стенда перед інтеграцією та налаштуванням цих елементів у випробувальному стенді операційних досліджень. «Враховуючи принципи мережевої системи, ми також зосереджуватимемося на автоматизації різних елементів тестового стенда квантової мережі, які зазвичай можна налаштувати вручну або відкалібрувати в лабораторному середовищі», — каже Монга.

Узгодження пріоритетів досліджень і розробок QUANT-NET з іншими ініціативами квантових мереж у всьому світі також має вирішальне значення – хоча різні та, можливо, несумісні підходи, ймовірно, будуть нормою, враховуючи дослідницький характер цієї колективної дослідницької діяльності. «Поки що нам потрібно розквітнути багато квітів, — зазначає Монга, — щоб ми могли використовувати найперспективніші квантові комунікаційні технології та відповідне програмне забезпечення та архітектури мережевого керування».

У довгостроковій перспективі Monga хоче отримати додаткове фінансування Міністерства енергетики, щоб тестовий стенд QUANT-NET міг масштабуватися з точки зору охоплення та складності. «Ми сподіваємося, що наш тестовий підхід дозволить легше інтегрувати багатообіцяючі квантові технології від інших дослідницьких груп і промисловості», — підсумовує він. «Це, у свою чергу, забезпечить швидкий цикл прототип–випробування–інтеграція для підтримки інновацій… і сприятиме прискореному розумінню того, як побудувати масштабований квантовий Інтернет, який співіснує з класичним Інтернетом».

Подальше читання

Індер Монга та інші 2023 QUANT-NET: тестовий стенд для дослідження квантових мереж через розгорнуте оптоволокно. QuNet '23, pp 31 – 37 (10 вересня–142023; Нью-Йорк, Нью-Йорк, США)

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/