Als een nieuwe gezamenlijke aangestelde bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Eden Figueroa raakt gewend aan het wisselen tussen zijn rollen binnen het Computational Science Initiative (CSI) en de Instrumentation Division van het Lab, terwijl hij ook toezicht houdt op de Quantum Information Technology-groep als een vaste aanstelling aan de Stony Brook University. Voor de meesten, werken op zoveel plaatsen tegelijk kan stressvol en vervreemdend zijn. Echter, voor Figueroa, die al lang gefascineerd is door kwantummechanica, navigeren door gecompliceerde verbindingen dient als inspiratie voor de kwantumnetwerken die momenteel door zijn team worden geconfigureerd en getest.

Uit de kou

Figueroa begon zijn reis in Mexico als natuurkundige en experimentator, wiens interesse in kwantummechanica hem ertoe bracht om te studeren onder A.I. Lvovsky. Terwijl hij promoveerde, Figueroa begon met het bouwen van kwantumherinneringen, met atomen gevulde glazen cellen die worden gestimuleerd door lasers om de atomaire toestanden erin te beheersen of zoals hij het uitdrukte, "om fotonen te laten praten en hun geheimen aan atomen te vertellen."

"Het bouwen van kwantumherinneringen bood een aspect van het beheersen van de natuur op de meest fundamentele niveaus - fotonen zijn licht en deeltjes die materie vertegenwoordigen, " legde Figueroa uit. "Dit was kwantumtechniek op een zeer fundamenteel niveau."

Een van de meest kenmerkende aspecten van het bedienen van kwantumhardware is de noodzaak om het koud te houden - erg koud; 2 K (-456°F) koud. De kou houdt deeltjes zo stationair mogelijk, het mogelijk maken van metingen. Figueroa realiseerde zich dat werken bij deze superkoude temperaturen een beperking was. Toen hij zijn professor vroeg of een kwantumgeheugen bij kamertemperatuur kon werken, hij kreeg te horen:"Ik denk het niet, maar bewijs me ongelijk." Die opdracht was de aanzet voor Figueroa die bijna drie jaar aan verschillende prototypes werkte, totdat hij hielp bij het ontwerpen van een werkend kwantumgeheugen op kamertemperatuur, die sindsdien is uitgebreid tot geïntegreerde, draagbare geheugens ter grootte van een schoenendoos die een centrale rol spelen in de manier waarop zijn team een ​​kwantumnetwerk bouwt.

"Straal mij omhoog"

Als basisdefinitie, een kwantumnetwerk draagt ​​kwantumdatabits over, of qubits, over afstanden met behulp van standaard telecommunicatievezels. Echter, in tegenstelling tot de gebruikelijke uitwisseling van 0 en 1 bits, deze gegevensoverdracht is gebaseerd op wetten van de kwantummechanica. Op subatomair (kwantum) niveau, deeltjes kunnen zich heel anders gedragen dan in toestanden die algemeen worden begrepen door de klassieke natuurkunde - ze bestaan ​​zelfs op twee plaatsen tegelijk. Deze "kwantumverstrengeling" waarbij deeltjes eigenschappen delen ondanks dat ze op afstand van elkaar zijn gescheiden, is een elementair onderdeel van de kwantumnetwerkexperimenten die aan de gang zijn in Brookhaven Lab, Stony Brook-universiteit, en (binnenkort) Yale University.

"Deeltjes in de door kwantummechanica verstrengelde wereld delen dingen, zelfs als ze duizenden kilometers van elkaar verwijderd zijn, "Zei Figueroa. "Als je Star Trek hebt gezien, het is net als wanneer Kirk belt, 'Straal mij omhoog.' We kunnen kwantumverstrengeling gebruiken om informatie van het ene gebied naar het andere te teleporteren met een snelheid die niet kan worden geëvenaard in klassieke systemen."

Om deze inspanning te testen, Figueroa en andere Lab-wetenschappers gebruikten aanvankelijk bestaande communicatievezellijnen, van ongeveer twee kilometer (km), of iets meer dan een mijl, tussen gebouwen op de Brookhaven Lab-campus om een ​​klein kwantumnetwerk te bouwen dat verstrengeling deelt. Opmerkelijk, dit doorlopende werk brengt alle onderzoeksverbindingen van Figueroa samen. CSI beheert de kwantumcomputeraspecten van het netwerk, en ontwerpt de netwerken en koppelingen, terwijl Brookhaven's Instrumentation-groep de verstrengelingsfotonen en andere experimentele infrastructuur en mogelijkheden levert. Sommige detectiecomponenten van het testbed zijn ontwikkeld in de afdeling Natuurkunde van het lab. Figueroa's laboratorium aan de Stony Brook University levert het kwantumgeheugen dat de informatie verwerkt. Een directe "tweeling" van dat lab wordt ook gebouwd in het Instrumentation-gebouw in Brookhaven. Het doel is om binnen enkele jaren een werkend quantumnetwerk te hebben.

In een ander kwantumverstrengelingsexperiment, Figueroa en zijn team "zenden fotonen naar de vrije ruimte, " eigenlijk van de ene telescoop naar de andere in zijn directe lijn. Figueroa legt uit dat dit lopende werk een spil zal zijn in de richting van een uitgebreider kwantumnetwerk.

"Als we kunnen aantonen dat het werkt op twee experimenten over 20 km, we kunnen meer in connecties stoppen, "zei hij. "Op dit moment, we willen een netwerk bouwen tussen Brookhaven, Stenige beek, en dan naar Yale en links maken van de ene campus naar de andere totdat we actief fotonen delen tussen de drie campussen. Misschien over vijf jaar, we kunnen het systeem dat we gebruiken opschalen en meer verbindingen leggen om de staat New York te bestrijken, Connecticut, de hele noordoostelijke regio."

Figueroa heeft ook het onlangs gelanceerde Northeast Quantum Systems-centrum gecrediteerd, bekend als NEQsys, voor het vergemakkelijken van de verbinding met Yale University, opmerkend dat Brookhaven Lab een regionale nexus heeft geboden voor onderzoekers met gemeenschappelijke interesses in kwantuminformatiewetenschap (QIS) die anders misschien niet zouden bestaan.

"De connectie tussen Brookhaven en Stony Brook is een soort natuurlijk huwelijk, "legde hij uit. "Echter, NEQsys zorgt voor een mooie aansluiting op onderzoek bij, bijvoorbeeld, Yale en MIT waar ik niet per se contact mee zou hebben gehad. Nutsvoorzieningen, met Yale, we zijn aangesloten en starten een uitbreiding van ons onderzoek. Dit zou niet mogelijk zijn zonder NEQsys."

Waarom nu? Waarom niet?

Figueroa erkende serendipiteit in de timing van deze inspanningen. Hij heeft een toename in de interesse in kwantum gezien van entiteiten zoals DOE en merkte op dat leiderschap bij Brookhaven Lab en Stony Brook University zowel de faciliteiten als de kansen hebben geboden om de fundamentele experimenten te lanceren die nodig zijn om QIS-onderzoek te versterken.

"We zijn de uitdaging aangegaan:eerst, kwantumgeheugen opbouwen bij kamertemperatuur. Nutsvoorzieningen, we kunnen het bouwen, "legde hij uit. "Nu, we hebben laboratoria die op verschillende plaatsen draaien om een ​​kwantumnetwerk te lanceren. Deze ideeën komen alleen verder als je bereid bent om middelen in te zetten om het probleem op te lossen. De benaderingen kwamen echt samen bij Brookhaven. Kerstin [Kleese van Dam, CSI-directeur], Dimitri [Katramatos, CSI-wetenschapper], Gabriëlla [Carini, Instrumentatie, plaatsvervangend afdelingshoofd], en Andrei [Nomerotski, Natuurkundige], allemaal hebben ze ons gesteund, krijgen wat we nodig hebben om deze kwantuminfrastructuur te creëren."

Grotendeels, Figueroa is opgewonden en onder de indruk van de toewijding die hij van alle betrokkenen heeft gezien naarmate de experimenten groeien. De technische stappen en opschaling vereisen de denkkracht van leidende wetenschappers, informatie technologie ingenieurs, afgestudeerde studenten, en meer. Figueroa voegde eraan toe dat de toenemende aandacht voor QIS ook zorgt voor meer interesse bij studenten.

"Ze weten dat in kwantumonderzoek, er gebeuren dingen die nog nooit zijn gedaan, en ze kunnen de hardware zien, infrastructuur, en subsidies voor onderzoek. Het is erg krachtig, en de voorwaarden zijn goed. Voor studenten, het is magisch, " hij zei.

Het trainen van de volgende generatie is een ander ingrediënt in het plan om QIS te versterken, vooral in New York. Volgens Figueroa, Stony Brook University begint in het najaar van 2019 met het aanbieden van cursussen voor een masteropleiding met de nadruk op QIS. De cursussen zullen ingenieurs of wetenschappers onderdompeling in kwantum bieden waarvan hij hoopt dat ze startups in kwantumtechnologie zullen voeden. Door Brookhaven Lab op te nemen als resourcepartner, Figueroa stelt zich voor "een op Long Island gericht kwantumprogramma te versterken."

Figueroa erkende meteen dat er een volwaardige competitieve race is om als eerste ter wereld een schaalbaar kwantumnetwerk te hosten dat verstrengeling deelt. Nu al, China heeft een voorsprong van bijna 10 jaar op zijn kwantuminvesteringen met Europa niet al te ver achterop. Nog altijd, met nog veel uitdagingen om een ​​functionerend kwantumnetwerk te ontsluiten, Figueroa straalt optimisme uit als hij naar het onderzoekslandschap tuurt.

"Waarom niet degenen zijn die het doen?" hij vroeg. "We kunnen dit gebied leiden. Het is het juiste moment om het voor elkaar te krijgen. Als we het voor elkaar krijgen, het zou een hoofdverhaal zijn in The New York Times . Het zou voor de gemeenschap een verandering van het spel zijn. Ik ben er dol op. We kunnen iets moois voor elkaar krijgen."