Những đổi mới trong thử nghiệm của QUANT-NET: hình dung lại mạng lượng tử – Thế giới Vật lý

Những đổi mới trong thử nghiệm của QUANT-NET: hình dung lại mạng lượng tử – Thế giới Vật lý

Dấu thời gian: Ngày 23 tháng 2023 năm 5 00:XNUMX sáng

Tập đoàn nghiên cứu QUANT-NET đang xây dựng nền tảng thử nghiệm mạng lượng tử đầu tiên cho các ứng dụng điện toán lượng tử phân tán ở Hoa Kỳ. Joe McEntee thăm Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) ở California để kiểm tra tiến độ trong việc hỗ trợ các công nghệ lượng tử

Các nhà nghiên cứu QUANT-NET
Kỹ thuật lượng tử Từ trái sang phải, các nhà nghiên cứu QUANT-NET Erhan Saglamyurek, Hartmut Häffner, Inder Monga và Wenji Wu trình diễn bộ xử lý lượng tử bẫy ion của họ, một hệ thống con quan trọng trong mạng thử nghiệm kết nối phòng thí nghiệm vật lý UC Berkeley của Häffner với Phòng thí nghiệm Berkeley. QUANT-NET là một nỗ lực tập thể rộng lớn hơn, với những đóng góp cốt lõi khác từ Maria Spiropulu của Caltech (ổn định phân cực và chuyển đổi tần số lượng tử); Alp Sipahigil của UC Berkeley và Thomas Schenkel của Phòng thí nghiệm Berkeley (cùng hợp tác nghiên cứu tâm màu silicon như một nguồn qubit đơn photon); Tracy Northrup của Đại học Innsbruck (tập trung vào bẫy ion hiệu quả nâng cao); và Lavanya Ramakrishnan, Ezra Kissel của Phòng thí nghiệm Berkeley và các thành viên khác trong nhóm đang đóng góp cho phần mềm điều phối và điều khiển mạng thời gian thực. (Ảnh: Bart Nagel Photography)

Internet ngày nay phân phối các bit và byte thông tin cổ điển trên toàn cầu, thậm chí là giữa các vì sao. Mặt khác, Internet lượng tử của ngày mai sẽ cho phép kết nối, thao tác và lưu trữ thông tin lượng tử từ xa – thông qua việc phân phối sự vướng víu lượng tử bằng cách sử dụng các photon – qua các nút lượng tử ở xa vật lý trong các mạng quang học đô thị, khu vực và đường dài. Các cơ hội rất hấp dẫn và đã xuất hiện đối với khoa học, an ninh quốc gia và nền kinh tế rộng lớn hơn.

Bằng cách khai thác các nguyên tắc của cơ học lượng tử – ví dụ như sự chồng chất, sự vướng víu và định lý “không nhân bản” – mạng lượng tử sẽ cho phép thực hiện tất cả các loại ứng dụng độc đáo mà các công nghệ mạng cổ điển không thể thực hiện được. Hãy nghĩ đến các chương trình truyền thông được mã hóa lượng tử cho chính phủ, tài chính, y tế và quân đội; cảm biến và đo lường lượng tử có độ phân giải siêu cao dành cho nghiên cứu khoa học và y học; và cuối cùng là việc triển khai các tài nguyên điện toán lượng tử dựa trên đám mây trên quy mô lớn được liên kết an toàn trên các mạng toàn cầu.

Tuy nhiên, hiện tại, mạng lượng tử vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, với cộng đồng nghiên cứu, các công ty công nghệ lớn (các công ty như IBM, Amazon, Google và Microsoft) và làn sóng các công ty khởi nghiệp được tài trợ mạo hiểm đều theo đuổi các con đường R&D đa dạng hướng tới chức năng thực tế và thực hiện. Một trường hợp điển hình về vấn đề này là QUANT-NET, một sáng kiến ​​R&D kéo dài 12.5 năm trị giá XNUMX triệu USD được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) hỗ trợ, trong khuôn khổ chương trình Nghiên cứu Máy tính Khoa học Tiên tiến, với mục tiêu xây dựng một bằng chứng về mạng lượng tử nguyên tắc được thử nghiệm cho các ứng dụng điện toán lượng tử phân tán.

Ra khỏi phòng thí nghiệm, vào mạng

Chung, bốn đối tác nghiên cứu trong tập đoàn QUANT-NET – Phòng thí nghiệm Berkeley (Berkeley, CA); Đại học California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, CA); và Đại học Innsbruck (Áo) – đang tìm cách thiết lập mạng điện toán lượng tử phân tán, ba nút giữa hai địa điểm (Berkeley Lab và UC Berkeley). Bằng cách này, mỗi nút lượng tử sẽ được liên kết với nhau thông qua sơ đồ liên lạc vướng víu lượng tử qua cáp quang viễn thông được cài đặt sẵn, với tất cả cơ sở hạ tầng thử nghiệm được quản lý bởi một ngăn phần mềm được xây dựng tùy chỉnh.

Thiết lập quang học trong phòng thí nghiệm vật lý UC Berkeley
Công nghệ cho phép Một cơ cấu quang học trong phòng thí nghiệm vật lý UC Berkeley được thiết kế để chuyển đổi biên độ, tần số và pha của ánh sáng laser được sử dụng trong bộ xử lý lượng tử bẫy ion QUANT-NET. (Ảnh: Bart Nagel Photography)

Indermohan (Inder) Monga, nhà nghiên cứu chính của QUANT-NET và giám đốc bộ phận mạng khoa học tại Phòng thí nghiệm Berkeley và giám đốc điều hành của Energy, cho biết: “Có rất nhiều thách thức phức tạp khi tăng số lượng qubit trên một máy tính lượng tử”. Mạng Khoa học (ESnet), cơ sở người dùng mạng hiệu suất cao của DOE (xem “ESnet: kết nối mạng khoa học quy mô lớn”). “Nhưng nếu một máy tính lớn hơn có thể được chế tạo từ một mạng gồm nhiều máy tính nhỏ hơn,” ông nói thêm, “có lẽ chúng ta có thể đẩy nhanh quy mô khả năng tính toán lượng tử – về cơ bản là có nhiều qubit hoạt động song song hơn – bằng cách phân phối sự vướng víu lượng tử trên một sợi- cơ sở hạ tầng quang học? Đó là câu hỏi cơ bản mà chúng tôi đang cố gắng trả lời trong QUANT-NET.”

ESnet: kết nối khoa học quy mô lớn trên khắp Hoa Kỳ và hơn thế nữa

ESnet cung cấp các kết nối và dịch vụ mạng băng thông cao cho các nhà khoa học đa ngành trên hơn 50 địa điểm nghiên cứu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) – bao gồm toàn bộ hệ thống Phòng thí nghiệm Quốc gia, các tài nguyên siêu máy tính liên quan và các cơ sở quy mô lớn – cũng như ngang hàng với hơn 270 mạng lưới nghiên cứu và thương mại trên toàn thế giới.

Inder Monga
Hiệu ứng mạng Inder Monga, nhà nghiên cứu chính của QUANT-NET và giám đốc điều hành của ESnet. (Ảnh: Bart Nagel Photography)

Được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE, ESnet là Cơ sở Người dùng DOE được chỉ định quản lý và vận hành bởi bộ phận mạng khoa học tại Phòng thí nghiệm Berkeley. Inder Monga, giám đốc điều hành ESnet và người đứng đầu dự án QUANT-NET cho biết: “Chúng tôi coi ESnet là hệ thống lưu chuyển dữ liệu cho DOE. “Các nhóm của chúng tôi hợp tác chặt chẽ với cả các nhà nghiên cứu của DOE và cộng đồng mạng quốc tế cũng như ngành công nghiệp để phát triển phần mềm nguồn mở và các dự án kỹ thuật hợp tác nhằm thúc đẩy khoa học quy mô lớn.”

Việc định vị QUANT-NET trong phạm vi hoạt động của Monga không phải là ngẫu nhiên, khai thác kiến ​​thức và chuyên môn về miền tích lũy của các nhóm kỹ thuật ESnet về kiến ​​trúc, hệ thống và phần mềm mạng. Monga lưu ý: “Mục tiêu QUANT-NET là một mạng lượng tử 24/7 trao đổi sự vướng víu và được điều khiển bởi một mặt phẳng điều khiển tự động”. “Chúng tôi sẽ không đạt được điều đó trong phạm vi của dự án R&D hạn chế này, nhưng đây là nơi chúng tôi đang hướng tới từ góc độ tầm nhìn.”

Một động lực khác đối với Monga và các đồng nghiệp là đưa công nghệ truyền thông lượng tử “ra khỏi phòng thí nghiệm” vào các hệ thống mạng trong thế giới thực nhằm khai thác các sợi viễn thông đã được triển khai trên mặt đất. Monga cho biết: “Các hệ thống mạng lượng tử hiện tại về cơ bản vẫn là các thí nghiệm vật lý cỡ phòng hoặc trên bàn, được các sinh viên sau đại học tinh chỉnh và quản lý”.

Do đó, một trong những nhiệm vụ chính của nhóm QUANT-NET là chứng minh các công nghệ có thể triển khai tại hiện trường mà theo thời gian sẽ có thể hoạt động 24/7 mà không cần sự can thiệp của nhà điều hành. Monga cho biết thêm: “Những gì chúng tôi muốn làm là xây dựng kho phần mềm để sắp xếp và quản lý tất cả các công nghệ lớp vật lý”. “Hoặc ít nhất hãy có một số ý tưởng về ngăn xếp phần mềm đó sẽ trông như thế nào trong tương lai để tự động hóa việc tạo, phân phối và lưu trữ vướng víu với tốc độ cao và độ chính xác cao theo cách hiệu quả, đáng tin cậy, có thể mở rộng và tiết kiệm chi phí.”

Kích hoạt công nghệ lượng tử

Nếu trò chơi cuối của QUANT-NET là để thử nghiệm trên đường các công nghệ phần cứng và phần mềm ứng cử viên cho Internet lượng tử, thì từ góc độ vật lý, việc giải nén các khối xây dựng lượng tử cốt lõi tạo nên các nút mạng của nền thử nghiệm – cụ thể là, bị bẫy-ion, sẽ mang tính hướng dẫn từ góc độ vật lý. bộ xử lý điện toán lượng tử; hệ thống chuyển đổi tần số lượng tử; và các nguồn silicon đơn photon, dựa trên màu sắc trung tâm.

Về cơ sở hạ tầng mạng, đã có tiến bộ đáng kể trong thiết kế và triển khai thử nghiệm. Cơ sở hạ tầng thử nghiệm QUANT-NET đã hoàn tất, bao gồm việc xây dựng sợi quang (phạm vi 5 km) giữa các nút lượng tử cộng với việc lắp đặt một trung tâm mạng lượng tử chuyên dụng tại Phòng thí nghiệm Berkeley. Các thiết kế ban đầu cho kiến ​​trúc mạng lượng tử và ngăn xếp phần mềm cũng đã sẵn sàng.

Bẫy ion được đặt trong hệ thống chân không (trên cùng), với cận cảnh bẫy ion được gắn vào bảng mạch in
Bị mắc kẹt Một bẫy ion nằm trong hệ thống chân không của nó (trên cùng), với cận cảnh bẫy ion được gắn vào bảng mạch in (phía dưới). Điện áp đặt vào các điện cực bẫy giam giữ các ion Ca+ ở khoảng 100–200 micron phía trên bề mặt chip. (Ảnh: Bart Nagel Photography)

Phòng máy của dự án QUANT-NET là bộ xử lý điện toán lượng tử bẫy ion, dựa trên sự tích hợp của khoang quang học có độ tinh vi cao với bẫy dựa trên chip mới dành cho Ca+ qubit ion. Các qubit ion bị bẫy này sẽ kết nối thông qua một kênh lượng tử chuyên dụng trên nền tảng thử nghiệm mạng – lần lượt tạo ra sự vướng víu ở khoảng cách xa giữa các nút điện toán lượng tử phân tán.

Hartmut Häffner, nhà nghiên cứu chính của dự án QUANT-NET, cho biết: “Việc chứng minh sự vướng víu là chìa khóa vì nó cung cấp một liên kết giữa các thanh ghi lượng tử từ xa có thể được sử dụng để dịch chuyển thông tin lượng tử giữa các bộ xử lý khác nhau hoặc để thực thi logic có điều kiện giữa chúng”. với Monga, và phòng thí nghiệm vật lý của họ trong khuôn viên UC Berkeley là nút khác trong cơ sở thử nghiệm. Điều quan trọng không kém là sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử phân tán tăng đáng kể theo số lượng qubit có thể được kết nối trong đó.

Tuy nhiên, để gắn hai bẫy ion từ xa trên mạng không hề đơn giản. Đầu tiên, spin của mỗi ion phải bị vướng víu với sự phân cực của một photon phát ra từ bẫy tương ứng của nó (xem “Kỹ thuật và khai thác sự vướng víu trong thử nghiệm QUANT-NET”). Sự vướng víu ion-photon tốc độ cao, độ chính xác cao trong mỗi trường hợp phụ thuộc vào các photon đơn lẻ, cận hồng ngoại phát ra ở bước sóng 854 nm. Các photon này được chuyển đổi thành băng tần C viễn thông 1550 nm để giảm thiểu tổn thất sợi quang ảnh hưởng đến việc truyền photon tiếp theo giữa các nút lượng tử của Phòng thí nghiệm UC Berkeley và Phòng thí nghiệm Berkeley. Khi kết hợp với nhau, các ion và photon bị bẫy thể hiện sự đôi bên cùng có lợi, trong đó ion và photon bị bẫy sẽ cung cấp các qubit tính toán cố định; cái sau đóng vai trò là “qubit giao tiếp bay” để liên kết các nút lượng tử phân tán.

Ở mức độ chi tiết hơn, mô-đun chuyển đổi tần số lượng tử khai thác các công nghệ quang tử tích hợp đã được thiết lập và cái gọi là “quy trình tần số chênh lệch”. Bằng cách này, một photon đầu vào có bước sóng 854 nm (phát ra từ Ca+ ion) được trộn kết hợp với trường bơm mạnh ở bước sóng 1900 nm trong môi trường phi tuyến, tạo ra photon viễn thông đầu ra ở bước sóng 1550 nm. Häffner cho biết: “Điều quan trọng là kỹ thuật này bảo toàn trạng thái lượng tử của các photon đầu vào đồng thời mang lại hiệu suất chuyển đổi cao và hoạt động ít tiếng ồn cho các thí nghiệm theo kế hoạch của chúng tôi”.

Với sự vướng víu được thiết lập giữa hai nút, nhóm QUANT-NET sau đó có thể chứng minh khối xây dựng cơ bản của điện toán lượng tử phân tán, trong đó thông tin lượng tử trong một nút điều khiển logic ở nút kia. Đặc biệt, sự vướng víu và giao tiếp cổ điển được sử dụng để dịch chuyển thông tin lượng tử từ nút điều khiển đến nút mục tiêu, trong đó quá trình – chẳng hạn như cổng logic lượng tử KHÔNG cục bộ, được kiểm soát – sau đó chỉ có thể được thực thi bằng các hoạt động cục bộ.

Kỹ thuật và khai thác sự vướng víu lượng tử trong thử nghiệm QUANT-NET

Những đổi mới trong thử nghiệm của QUANT-NET: mô phỏng lại mạng lượng tử – Thông minh dữ liệu PlatoBlockchain của Thế giới Vật lý. Tìm kiếm dọc. Ái.

Việc thiết lập sự vướng víu ion-ion giữa hai nút lượng tử ion bị bẫy phụ thuộc vào việc chuẩn bị đồng bộ sự vướng víu ion-photon (theo mức độ tự do spin và phân cực) trong mỗi nút mạng (1). Chu kỳ bắt đầu bằng việc khởi tạo trạng thái ion, sau đó một xung laser kích hoạt sự phát xạ của một photon cận hồng ngoại trong hộp quang của mỗi bẫy ion. Sau khi chuyển đổi tần số lượng tử (2), các photon viễn thông thu được (vướng víu với các ion tương ứng) được gửi tới cái gọi là nút Đo trạng thái Chuông (BSM) nhằm tạo ra sự vướng víu ion-ion thông qua các phép đo trên trạng thái phân cực của hai photon (3). Quá trình lặp lại (4) cho đến khi cả hai photon được truyền thành công qua sợi tương ứng của chúng và được đăng ký chung tại nút BSM, báo trước việc tạo ra sự vướng víu ion-ion (5). Sự vướng víu này được lưu trữ cho đến khi mạng lượng tử yêu cầu sử dụng nó làm tài nguyên – ví dụ, để truyền thông tin lượng tử thông qua dịch chuyển tức thời.

Cuối cùng, một gói công việc song song đang được tiến hành để khám phá tác động của “tính không đồng nhất” trong mạng lượng tử – thừa nhận rằng nhiều công nghệ lượng tử có khả năng được triển khai (và do đó giao tiếp với nhau) trong các giai đoạn hình thành của Internet lượng tử. Về vấn đề này, các thiết bị trạng thái rắn dựa vào tâm màu silicon (khiếm khuyết mạng tạo ra phát xạ quang ở bước sóng viễn thông khoảng 1300 nm) được hưởng lợi từ khả năng mở rộng vốn có của kỹ thuật chế tạo nano silicon, đồng thời phát ra các photon đơn lẻ có mức độ không thể phân biệt cao (sự kết hợp). ) cần thiết cho sự vướng víu lượng tử.

Häffner cho biết thêm: “Là bước đầu tiên theo hướng này, chúng tôi dự định chứng minh sự dịch chuyển tức thời ở trạng thái lượng tử từ một photon đơn lẻ phát ra từ tâm màu silicon đến Ca”.+ qubit bằng cách giảm bớt vấn đề quang phổ không khớp giữa hai hệ lượng tử này.”

Lộ trình QUANT-NET

Khi QUANT-NET đạt đến điểm giữa chừng, mục tiêu của Monga, Häffner và các đồng nghiệp là mô tả đặc điểm hiệu suất của các thành phần thử nghiệm riêng biệt một cách độc lập, trước khi tích hợp và điều chỉnh các thành phần này vào thử nghiệm nghiên cứu vận hành. Monga cho biết: “Với các nguyên tắc của hệ thống mạng, trọng tâm của chúng tôi cũng sẽ là tự động hóa các thành phần khác nhau của nền tảng thử nghiệm mạng lượng tử thường có thể được điều chỉnh hoặc hiệu chỉnh thủ công trong môi trường phòng thí nghiệm”.

Việc sắp xếp các ưu tiên R&D của QUANT-NET với các sáng kiến ​​mạng lượng tử khác trên khắp thế giới cũng rất quan trọng – mặc dù các cách tiếp cận khác nhau và có lẽ không tương thích, có thể sẽ là tiêu chuẩn do tính chất khám phá của nỗ lực nghiên cứu tập thể này. Monga lưu ý: “Hiện tại, chúng tôi cần nhiều bông hoa nở rộ để có thể tiếp cận các công nghệ truyền thông lượng tử hứa hẹn nhất cũng như kiến ​​trúc và phần mềm điều khiển mạng liên quan”.

Về lâu dài, Monga muốn đảm bảo nguồn tài trợ bổ sung của DOE, để thử nghiệm QUANT-NET có thể mở rộng quy mô về phạm vi tiếp cận và độ phức tạp. Ông kết luận: “Chúng tôi hy vọng rằng phương pháp thử nghiệm của chúng tôi sẽ cho phép tích hợp dễ dàng hơn các công nghệ lượng tử đầy hứa hẹn từ các nhóm nghiên cứu và ngành công nghiệp khác”. “Điều này sẽ cung cấp một chu trình tích hợp nguyên mẫu-thử nghiệm-tích hợp nhanh chóng để hỗ trợ đổi mới…và sẽ góp phần nâng cao hiểu biết về cách xây dựng một mạng Internet lượng tử có thể mở rộng cùng tồn tại với Internet cổ điển.”

Đọc thêm

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET: Nền tảng thử nghiệm nghiên cứu mạng lượng tử trên sợi quang được triển khai. QuNet '23, Trang 31 tầm 37 (10–142023 tháng XNUMX năm XNUMX; New York, NY, Hoa Kỳ)

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý