Quantumsamenwerking demonstreert in Chicagoland de eerste stappen in de richting van functionele langeafstandsquantumnetwerken via ingezette telecomglasvezels, wat de deur opent naar schaalbare kwantumcomputing.

De wereld wacht op kwantumtechnologie. Van quantum computing wordt verwacht dat het complexe problemen oplost die de huidige of klassieke computing niet kan. En kwantumnetwerken zijn essentieel om het volledige potentieel van kwantumcomputing te realiseren, doorbraken in ons begrip van de natuur mogelijk te maken, evenals toepassingen die het dagelijks leven verbeteren.

Maar om dit te realiseren, moeten er nauwkeurige kwantumcomputers en betrouwbare kwantumnetwerken worden ontwikkeld die gebruikmaken van de huidige computertechnologieën en bestaande infrastructuur.

Onlangs heeft een team van onderzoekers met het Illinois-Express Quantum Network (IEQNET), als een soort bewijs van potentieel en een eerste stap in de richting van functionele kwantumnetwerken, met succes een langeafstandsquantumnetwerk geïmplementeerd tussen twee laboratoria van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). met behulp van lokale glasvezel.

Het experiment markeerde de eerste keer dat kwantumgecodeerde fotonen - het deeltje waardoor kwantuminformatie wordt geleverd - en klassieke signalen gelijktijdig werden geleverd over een grootstedelijke afstand met een ongekend niveau van synchronisatie.

De IEQNET-samenwerking omvat de DOE's Fermi National Accelerator en Argonne National laboratoria, Northwestern University en Caltech. Hun succes is gedeeltelijk te danken aan het feit dat de leden de breedte van computerarchitecturen omvatten, van klassiek en kwantum tot hybride.

"Het is geen sinecure om twee nationale laboratoria te hebben die 50 kilometer van elkaar verwijderd zijn en aan kwantumnetwerken werken met deze gedeelde technische capaciteit en expertise", zegt Panagiotis Spentzouris, hoofd van het Quantum Science Program bij Fermilab en hoofdonderzoeker van de projecteren. "Je hebt een divers team nodig om dit zeer moeilijke en complexe probleem aan te pakken."

En voor dat team bleek synchronisatie het beest te temmen. Samen toonden ze aan dat het mogelijk is dat kwantumsignalen en klassieke signalen naast elkaar bestaan ​​over dezelfde netwerkvezel en synchronisatie bereiken, zowel op grootstedelijke schaal als in reële omstandigheden.

Klassieke computernetwerken, zo stellen de onderzoekers, zijn al complex genoeg. Door de uitdaging van kwantumnetwerken in de mix te introduceren, verandert het spel aanzienlijk.

Wanneer klassieke computers gesynchroniseerde bewerkingen en functies moeten uitvoeren, zoals die nodig zijn voor beveiliging en rekenversnelling, vertrouwen ze op iets dat het Network Time Protocol (NTP) wordt genoemd. Dit protocol distribueert een kloksignaal over hetzelfde netwerk dat informatie draagt, met een precisie die een miljoen keer sneller is dan een oogwenk.

Met quantum computing is de vereiste precisie nog groter. Stel je voor dat de klassieke NTP een Olympische loper is; de klok voor quantum computing is The Flash, de supersnelle superheld uit stripboeken en films.

Om ervoor te zorgen dat ze paren fotonen krijgen die verstrengeld zijn - het vermogen om elkaar op afstand te beïnvloeden - moeten de onderzoekers de kwantumgecodeerde fotonen in grote aantallen genereren.

Weten welke paren verstrengeld zijn, is waar de synchroniciteit van pas komt. Het team gebruikte vergelijkbare timingsignalen om de klokken op elke bestemming, of knoop, over het Fermilab-Argonne-netwerk te synchroniseren.

Precisie-elektronica wordt gebruikt om dit timingsignaal aan te passen op basis van bekende factoren, zoals afstand en snelheid - in dit geval dat fotonen altijd met de snelheid van het licht reizen - en ook voor interferentie die wordt gegenereerd door de omgeving, zoals temperatuurveranderingen of trillingen, in de glasvezel.

Omdat ze slechts twee vezelstrengen tussen de twee laboratoria hadden, moesten de onderzoekers de klok op dezelfde vezel sturen die de verstrengelde fotonen droeg. De manier om de klok van het kwantumsignaal te scheiden, is door verschillende golflengten te gebruiken, maar dat brengt zijn eigen uitdaging met zich mee.

"Het kiezen van geschikte golflengten voor de kwantum- en klassieke synchronisatiesignalen is erg belangrijk voor het minimaliseren van interferentie die de kwantuminformatie zal beïnvloeden", zegt Rajkumar Kettimuthu, een computerwetenschapper van Argonne en lid van het projectteam. "Een analogie zou kunnen zijn dat de vezel een weg is en golflengten rijstroken. Het foton is een fietser en de klok is een vrachtwagen. Als we niet oppassen, kan de vrachtwagen het fietspad oprijden. Dus hebben we een groot aantal experimenten om ervoor te zorgen dat de vrachtwagen op zijn rijstrook bleef."

Uiteindelijk werden de twee correct toegewezen en gecontroleerd, en werden het timingsignaal en de fotonen gedistribueerd vanuit bronnen bij Fermilab. Terwijl de fotonen op elke locatie arriveerden, werden metingen uitgevoerd en geregistreerd met behulp van Argonne's supergeleidende nanodraad-fotondetectoren.

"We hebben recordniveaus van synchronisatie laten zien met behulp van direct beschikbare technologie die vertrouwt op radiofrequentiesignalen die op licht zijn gecodeerd", zegt Raju Valivarthi, een Caltech-onderzoeker en IEQNET-teamlid. "We hebben het systeem bij Caltech gebouwd en getest, en de IEQNET-experimenten demonstreren de gereedheid en mogelijkheden ervan in een echt glasvezelnetwerk dat twee grote nationale laboratoria met elkaar verbindt."

Het netwerk was zo nauwkeurig gesynchroniseerd dat het op elke locatie slechts een tijdsverschil van 5 picoseconden in de klokken registreerde; één picoseconde is een biljoenste van een seconde.

Met een dergelijke precisie kunnen wetenschappers verstrengelde fotonparen nauwkeurig identificeren en manipuleren voor het ondersteunen van kwantumnetwerkoperaties over grootstedelijke afstanden in reële omstandigheden. Voortbouwend op deze prestatie bereidt het IEQNET-team zich voor om experimenten uit te voeren om verstrengelingswisselingen aan te tonen. Dit proces maakt verstrengeling tussen fotonen van verschillende verstrengelde paren mogelijk, waardoor langere kwantumcommunicatiekanalen ontstaan.

"Dit is de eerste demonstratie in echte omstandigheden om echte optische vezels te gebruiken om dit soort superieure synchronisatienauwkeurigheid en het vermogen om naast kwantuminformatie te bestaan, te bereiken," zei Spentzouris. "Deze recordprestatie is een essentiële stap op weg naar het bouwen van praktische multinode-kwantumnetwerken." + Verder verkennen

Gigantische sprong naar kwantuminternet gerealiseerd met Bell state analyzer