QUANT-NET 的测试平台创新：重新构想量子网络 – 物理世界

今天的互联网在全球甚至星际距离上分发经典的比特和字节信息。另一方面，未来的量子互联网将通过使用光子分布量子纠缠，在大都市、区域和长途光网络内物理上相距较远的量子节点上实现量子信息的远程连接、操纵和存储。对于科学、国家安全和更广泛的经济来说，机遇是引人注目的，并且已经出现在人们的视野中。

通过利用量子力学原理（例如叠加、纠缠和“不可克隆”定理），量子网络将实现经典网络技术不可能实现的各种独特应用。考虑用于政府、金融、医疗保健和军队的量子加密通信方案；用于科学研究和医学的超高分辨率量子传感和计量；最终，大规模实施基于云的量子计算资源，在全球网络上安全连接。

不过，目前量子网络仍处于起步阶段，研究界、大型科技公司（IBM、亚马逊、谷歌和微软等公司）和一波风投融资的初创企业都在追求多种研发途径，以实现实用功能和执行。这方面的一个案例研究是 QUANT-NET，这是一项耗资 12.5 万美元、为期五年的研发计划，由美国能源部 (DOE) 支持，属于高级科学计算研究计划，其目标是构建一个证明-原理量子网络针对分布式量子计算应用进行了测试。

走出实验室，进入网络

QUANT-NET 联盟内的四个研究合作伙伴共同组成了伯克利实验室（加利福尼亚州伯克利）；加州大学伯克利分校（加州大学伯克利分校，CA）；加州理工学院（加利福尼亚州帕萨迪纳）；和因斯布鲁克大学（奥地利）——正在寻求在两个站点（伯克利实验室和加州大学伯克利分校）之间建立一个三节点分布式量子计算网络。通过这种方式，每个量子节点将通过预先安装的电信光纤上的量子纠缠通信方案连接起来，所有测试台基础设施都由定制的软件堆栈管理。

伯克利实验室 QUANT-NET 首席研究员兼科学网络部门主任兼 Energy 执行董事 Indermohan (Inder) Monga 表示：“在扩大单个量子计算机上的量子比特数量时，存在许多复杂的挑战。”科学网络 (ESnet)，DOE 的高性能网络用户设施（请参阅“ESnet：网络大型科学”）。 “但是，如果可以通过多个较小计算机的网络来构建更大的计算机，”他补充道，“我们是否可以通过在光纤上分布量子纠缠来快速扩展量子计算能力——本质上是更多的量子位协同工作。”光学基础设施？这是我们试图在 QUANT-NET 中回答的基本问题。”

Monga 和同事的另一个动机是将量子通信技术“走出实验室”引入现实世界的网络系统，利用已经部署在地面的电信光纤。 “当前的量子网络系统本质上仍然是房间大小或桌面物理实验，由研究生进行微调和管理，”蒙加说。

因此，QUANT-NET 团队的主要任务之一是演示可现场部署的技术，随着时间的推移，这些技术将能够在没有操作员干预的情况下 24/7 运行。 “我们想要做的是构建软件堆栈来编排和管理所有物理层技术，”Monga 补充道。 “或者至少了解一下软件堆栈未来应该是什么样子，以便以高效、可靠、可扩展和经济高效的方式自动化高速率和高保真纠缠生成、分发和存储。”

启用量子技术

如果 QUANT-NET 最终游戏是对量子互联网的候选硬件和软件技术进行路测，那么从物理角度来看，解开构成测试台网络节点的核心量子构建块（即俘获离子）是有启发性的量子计算处理器；量子频率转换系统；以及基于色心的单光子硅源。

在网络基础设施方面，测试台设计和实施已经取得了重大进展。 QUANT-NET 测试台基础设施已完成，包括量子节点之间的光纤建设（长度为 5 公里）以及伯克利实验室专用量子网络中心的安装。量子网络架构和软件堆栈的初步设计也已到位。

QUANT-NET 项目的引擎室是俘获离子量子计算处理器，它依赖于高精度光学腔与新型基于芯片的 CaXNUMX+ 陷阱的集成。⁺ 离子量子位。这些俘获离子量子位将通过网络测试台上的专用量子通道进行连接，从而在分布式量子计算节点之间创建长距离纠缠。

QUANT-NET 项目的首席研究员 Hartmut Häffner 表示：“演示纠缠是关键，因为它提供了远程量子寄存器之间的链接，可用于在不同处理器之间传送量子信息或在它们之间执行条件逻辑。”与 Monga 合作，其位于加州大学伯克利分校校园的物理实验室是测试平台中的另一个节点。同样重要的是，分布式量子计算机的计算能力随着其中可以互连的量子位的数量而显着增加。

然而，通过网络纠缠两个远程离子阱远非简单。首先，每个离子的自旋必须与其各自陷阱发射的光子的偏振纠缠（参见“QUANT-NET 测试台中的工程和利用纠缠”）。在每种情况下，高速率、高保真度的离子光子纠缠都依赖于以 854 nm 波长发射的单个近红外光子。这些光子被转换为 1550nm 电信 C 波段，以最大限度地减少影响加州大学伯克利分校和伯克利实验室量子节点之间后续光子传输的光纤损耗。总的来说，捕获离子和光子是双赢的，前者提供固定计算量子位；后者充当“飞行通信量子位”来连接分布式量子节点。

在更细粒度的层面上，量子频率转换模块利用了现有的集成光子技术和所谓的“差频过程”。这样，输入的 854 nm 光子（从 Ca 发射）⁺ 离子）与非线性介质中 1900nm 的强泵浦场相干混合，产生 1550nm 的输出电信光子。 “至关重要的是，这项技术保留了输入光子的量子态，同时为我们计划的实验提供高转换效率和低噪声操作，”哈夫纳说。

通过在两个节点之间建立纠缠，QUANT-NET 团队可以演示分布式量子计算的基本构建块，其中一个节点中的量子信息控制另一个节点中的逻辑。特别是，纠缠和经典通信用于将量子信息从控制节点传送到目标节点，然后该过程（例如非本地受控非量子逻辑门）只能通过本地操作来执行。

最后，一个并行工作包正在进行中，以探索量子网络内“异质性”的影响——承认在量子互联网的形成阶段可能会部署多种量子技术（因此相互连接）。在这方面，依靠硅色心（在 1300 nm 左右的电信波长下产生光发射的晶格缺陷）的固态器件受益于硅纳米制造技术固有的可扩展性，同时发射具有高度不可区分性（相干性）的单光子。 ）是量子纠缠所需的。

“作为朝这个方向迈出的第一步，”Häffner 补充道，“我们计划演示从硅色心发射的单个光子到 Ca 的量子态隐形传态。⁺ 通过减轻这两个量子系统之间的光谱不匹配问题来实现量子位。”

QUANT-NET 路线图

随着 QUANT-NET 接近中点，Monga、Häffner 及其同事的目标是在将这些元素集成和调整到运筹学测试台之前，独立表征分立测试台组件的性能。 Monga 说：“考虑到网络系统原理，我们的重点还将放在量子网络测试台的各种元件的自动化上，这些元件通常可以在实验室环境中手动调整或校准。”

将 QUANT-NET 的研发优先事项与世界各地的其他量子网络计划保持一致也至关重要——尽管考虑到这一集体研究工作的探索性，不同的、甚至可能不兼容的方法可能会成为常态。 Monga 指出：“我们现在需要许多花朵绽放，以便我们能够专注于最有前途的量子通信技术以及相关的网络控制软件和架构。”

从长远来看，Monga 希望获得能源部的额外资金，以便 QUANT-NET 测试平台可以在范围和复杂性方面进行扩展。 “我们希望我们的测试平台方法能够更轻松地集成来自其他研究团队和行业的有前途的量子技术，”他总结道。 “这反过来将提供一个快速的原型-测试-集成周期来支持创新……并将有助于加速理解如何构建与经典互联网共存的可扩展量子互联网。”

深入阅读

因德尔·蒙加 et al. 2023 QUANT-NET：通过已部署光纤进行量子网络研究的测试平台。 曲网’23， pp 31-37 （10 月 142023 日至 XNUMX 年；美国纽约州纽约市）

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/