Een team van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Stanford University en Purdue University ontwikkelden en demonstreerden een roman, volledig functioneel kwantum lokaal netwerk, of QLAN, om realtime aanpassingen mogelijk te maken aan informatie die wordt gedeeld met geografisch geïsoleerde systemen bij ORNL met behulp van verstrengelde fotonen die door optische vezels gaan.

Dit netwerk is een voorbeeld van hoe experts routinematig kwantumcomputers en sensoren op praktische schaal kunnen verbinden, waardoor het volledige potentieel van deze technologieën van de volgende generatie wordt gerealiseerd op weg naar het langverwachte kwantuminternet. De resultaten van het team, die zijn gepubliceerd in PRX Quantum , markeer het hoogtepunt van jaren van gerelateerd onderzoek.

Lokale netwerken die klassieke computerapparatuur met elkaar verbinden, zijn niets nieuws, en QLAN's zijn met succes getest in tafelbladstudies. Kwantumsleuteldistributie is tot nu toe het meest voorkomende voorbeeld van kwantumcommunicatie in het veld, maar deze procedure is beperkt omdat het alleen veiligheid biedt, geen verstrikking, tussen locaties.

"We proberen een fundament te leggen waarop we een kwantuminternet kunnen bouwen door kritieke functies te begrijpen, zoals verstrengeling distributie bandbreedte, " zei Nicolaas Peters, het sectiehoofd Quantum Information Science bij ORNL. "Ons doel is om de fundamentele tools en bouwstenen te ontwikkelen die we nodig hebben om kwantumnetwerktoepassingen te demonstreren, zodat ze kunnen worden ingezet in echte netwerken om kwantumvoordelen te realiseren."

Wanneer twee fotonen - lichtdeeltjes - aan elkaar worden gekoppeld, of verstrikt, ze vertonen kwantumcorrelaties die sterker zijn dan die mogelijk zijn met een klassieke methode, ongeacht de fysieke afstand ertussen. Deze interacties maken contra-intuïtieve kwantumcommunicatieprotocollen mogelijk die alleen kunnen worden bereikt met behulp van kwantumbronnen.

Een dergelijk protocol, voorbereiding op afstand, maakt gebruik van verstrengeling en klassieke communicatie om informatie te coderen door de ene helft van een verstrengeld fotonenpaar te meten en de andere helft effectief om te zetten in de gewenste kwantumtoestand. Peters leidde de eerste algemene experimentele realisatie van voorbereiding op afgelegen staten in 2005 terwijl hij zijn doctoraat in de natuurkunde behaalde. Het team paste deze techniek toe op alle gekoppelde links in het QLAN - een prestatie die nog niet eerder op een netwerk was bereikt - en demonstreerde de schaalbaarheid van op verstrengeling gebaseerde kwantumcommunicatie.

Dankzij deze aanpak kon het team drie externe knooppunten aan elkaar koppelen, bekend als "Alice, "Bob" en "Charlie" - namen die vaak worden gebruikt voor fictieve personages die kunnen communiceren via kwantumtransmissies - die zich bevinden in drie verschillende onderzoekslaboratoria in drie afzonderlijke gebouwen op de campus van ORNL. Vanuit het laboratorium met Alice en de fotonbron, de fotonen verdeelden verstrengeling naar Bob en Charlie via de bestaande glasvezelinfrastructuur van ORNL.

Quantumnetwerken zijn incompatibel met versterkers en andere klassieke signaalversterkende bronnen, die interfereren met de kwantumcorrelaties die worden gedeeld door verstrengelde fotonen. Met dit mogelijke nadeel in gedachten, het team heeft flexibele levering van netwerkbandbreedte ingebouwd, die golflengte-selectieve schakelaars gebruikt om kwantumbronnen toe te wijzen en opnieuw toe te wijzen aan netwerkgebruikers zonder het QLAN los te koppelen. Deze techniek biedt een soort ingebouwde fouttolerantie waarmee netwerkbeheerders kunnen reageren op een onverwachte gebeurtenis, zoals een gebroken vezel, door verkeer om te leiden naar andere gebieden zonder de snelheid van het netwerk te verstoren of beveiligingsprotocollen in gevaar te brengen.

"Omdat de vraag in een netwerk in de loop van de tijd of met verschillende configuraties kan veranderen, u wilt geen systeem met vaste golflengtekanalen die bepaalde gebruikers altijd dezelfde porties toewijzen, zei Joseph Lukens, een Wigner Fellow en onderzoekswetenschapper bij ORNL, evenals de elektrotechnische expert van het team. "In plaats daarvan, u wilt de flexibiliteit om gebruikers op het netwerk meer of minder bandbreedte te bieden, afhankelijk van hun behoeften."

In vergelijking met hun typische klassieke tegenhangers, kwantumnetwerken hebben de timing van de activiteit van elk knooppunt nodig om veel nauwer te synchroniseren. Om aan deze eis te voldoen, de onderzoekers vertrouwden op GPS, dezelfde veelzijdige en kosteneffectieve technologie die satellietgegevens gebruikt om dagelijkse navigatiediensten te leveren. Met behulp van een GPS-antenne in het laboratorium van Bob, het team deelde het signaal met elk knooppunt om ervoor te zorgen dat de op GPS gebaseerde klokken binnen enkele nanoseconden werden gesynchroniseerd en dat ze tijdens het experiment niet uit elkaar zouden drijven.

Na het verkrijgen van nauwkeurige tijdstempels voor de aankomst van verstrengelde fotonen die zijn vastgelegd door fotondetectoren, het team stuurde deze metingen van de QLAN naar een klassiek netwerk, waar ze hoogwaardige gegevens van alle drie de laboratoria verzamelden.

"Dit deel van het project werd een uitdagend klassiek netwerkexperiment met zeer nauwe toleranties, Lukens zei. "Timing op een klassiek netwerk vereist zelden dat niveau van precisie of zoveel aandacht voor detail met betrekking tot de codering en synchronisatie tussen de verschillende laboratoria."

Zonder het GPS-signaal, de QLAN-demonstratie zou gegevens van mindere kwaliteit hebben gegenereerd en de betrouwbaarheid hebben verlaagd, een wiskundige metriek gekoppeld aan kwantumnetwerkprestaties die de afstand tussen kwantumtoestanden meet.

Het team verwacht dat kleine upgrades van de QLAN, inclusief het toevoegen van meer knooppunten en het samen nesten van golflengte-selectieve schakelaars, zou kwantumversies vormen van onderling verbonden netwerken - de letterlijke definitie van internet.

"Het internet is een groot netwerk dat bestaat uit vele kleinere netwerken, " zei Muneer Alshowkan, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij ORNL die waardevolle informatica-expertise aan het project heeft toegevoegd. "De volgende grote stap in de richting van de ontwikkeling van een kwantuminternet is om de QLAN te verbinden met andere kwantumnetwerken."

Aanvullend, de bevindingen van het team kunnen worden toegepast om andere detectietechnieken te verbeteren, zoals die worden gebruikt om bewijs te zoeken van ongrijpbare donkere materie, de onzichtbare substantie waarvan men denkt dat het de belangrijkste bron van materie in het universum is.

"Stel je het bouwen van netwerken van kwantumsensoren voor met het vermogen om fundamentele hoge-energie-fysica-effecten te zien, Peters zei. "Door deze technologie te ontwikkelen, we willen de gevoeligheid verlagen die nodig is om die verschijnselen te meten om te helpen bij de voortdurende zoektocht naar donkere materie en andere inspanningen om het universum beter te begrijpen."

De onderzoekers zijn al bezig met het plannen van hun volgende experiment, die zich zal concentreren op het implementeren van nog geavanceerdere methoden voor timingsynchronisatie om het aantal accidenten - de bronnen van ruis in het netwerk - te verminderen en de servicekwaliteit van QLAN verder te verbeteren.