Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Stony Brook-universiteit, en DOE's Energy Sciences Network (ESnet) werken samen aan een experiment dat Amerikaans kwantumnetwerkonderzoek op de internationale kaart zet. Onderzoekers hebben een kwantumnetwerk-testbed gebouwd dat verschillende gebouwen op de Brookhaven Lab-campus verbindt met behulp van unieke draagbare kwantumverstrengelingsbronnen en een bestaand DOE ESnet-communicatievezelnetwerk - een belangrijke stap in het bouwen van een grootschalig kwantumnetwerk dat informatie over lange afstanden kan verzenden.

"In de kwantummechanica, de fysieke eigenschappen van verstrengelde deeltjes blijven geassocieerd, zelfs als ze gescheiden zijn door grote afstanden. Dus, wanneer metingen aan één kant worden uitgevoerd, het heeft ook invloed op de ander, zei Kerstin Kleese van Dam, directeur van het Computational Science Initiative (CSI) van Brookhaven Lab. "Daten, dit werk is met succes gedemonstreerd met verstrengelde fotonen op een afstand van ongeveer 11 mijl. Dit is een van de grootste distributienetwerken voor kwantumverstrengeling ter wereld, en het verstrengelingsexperiment over de langste afstand in de Verenigde Staten."

Dit testproject voor kwantumnetwerken omvat medewerkers van CSI en Brookhaven's Instrumentation Division and Physics Department, evenals docenten en studenten van Stony Brook University. Het project maakt ook deel uit van het Northeast Quantum Systems Center. Een onderscheidend aspect van het werk van het team dat het onderscheidt van andere kwantumnetwerken die in China en Europa worden gerund - beide al lang toegewijd aan kwantuminformatiewetenschap - is dat de verstrengelingsbronnen draagbaar zijn en eenvoudig kunnen worden gemonteerd in een standaard computerserver voor datacenters racks die zijn aangesloten op reguliere glasvezelverdeelpanelen.

Het team heeft met succes een draagbare kwantumverstrengelde fotonenbron geïnstalleerd in een serverrek dat is ondergebracht in het BNL Scientific Data and Computing Center, waar de centrale netwerkhub van het Lab zich bevindt. Met deze connectiviteit verstrengelde fotonen kunnen nu worden gedistribueerd naar elk gebouw op de campus van het Lab met behulp van de bestaande Brookhaven- en ESnet-glasvezelinfrastructuur. De vezels van ESnet zijn aangebracht in paden tussen gebouwen om de verspreiding en bestudering van verstrengeling over steeds grotere afstanden mogelijk te maken. De draagbare verstrengelingsbronnen zijn ook compatibel met bestaande kwantumgeheugens, met atomen gevulde glazen cellen die kwantuminformatie kunnen opslaan. Normaal bewaard bij superkoude temperaturen, deze cellen kunnen worden gestimuleerd met behulp van lasers om de atomaire toestanden erin te regelen.

In werk gesponsord door DOE's Small Business Innovation Research-programma (SBIR), het Brookhaven-Stony Brook-ESnet-testbed beschikt over draagbare kwantumgeheugens die bij kamertemperatuur kunnen werken. Zulke kwantumherinneringen, ontworpen voor kwantumnetwerken op grote schaal, al lang een "huisdierproject" zijn voor Eden Figueroa, een gezamenlijke aangestelde met Brookhaven's CSI en Instrumentation Division en een Stony Brook University professor die de Quantum Information Technology-groep leidt. Hij is hoofdonderzoeker van het testbedproject voor kwantumnetwerken.

"De demonstratie is bedoeld om verstrengeling te combineren met compatibele atomaire kwantumgeheugens, " zei Figueroa. "Onze kwantumgeheugens hebben het voordeel dat ze bij kamertemperatuur werken in plaats van vrieskou te vereisen. Dit maakt het natuurlijk om de test uit te breiden naar principes van kwantumrepeaters, die de technologische sleutel zijn tot het bereiken van kwantumcommunicatie over honderden kilometers."

Quantumnetwerken sturen lichtpulsen (fotonen) door de glasvezel, waarvoor het licht periodiek moet worden versterkt terwijl het door de lijnen reist. Echter, in tegenstelling tot digitale transmissies in communicatienetwerken, kwantumverstrengeling wordt beperkt door decoherentie, waar verstrengelde fotonen, bijvoorbeeld, terugkeren naar klassieke toestanden omdat interacties met de omgeving ervoor zorgen dat ze het vermogen verliezen om verstrikt te blijven. Dit beperkt het verzenden van deze fragiele kwantumtoestanden over grote afstanden.

Met levensvatbare kwantumrepeaters kunnen Figueroa en zijn team hun lopende experimenten binnen "lokale" kwantumnetwerken opschalen naar een gedistribueerd, of "breed gebied, " versie. Vooruitlopend hierop, het team bouwt de nodige optische verbindingen om het kwantumnetwerk van Brookhaven Lab te koppelen aan de verbindingen die al bestaan ​​aan de universiteiten van Stony Brook en Yale.

"Het realiseren van het kwantumnetwerk met verstrengelde fotonbronnen gemonteerd in serverracks, draagbare kwantumgeheugens, en bruikbare repeaters zullen het eerste echte kwantumcommunicatienetwerk ter wereld markeren dat kwantumcomputerprocessors en geheugens echt verbindt met behulp van fotonische kwantumverstrengeling, Figueroa zei. "Het zal een ommekeer betekenen in de communicatie die de wereld kan beïnvloeden."