Hoewel kwantumcomputers een revolutie in de berekening vertegenwoordigen, kunnen ze niet met elkaar communiceren zoals gewone computers dat kunnen - via internet. Als kwantumcomputers zouden kunnen worden verbonden via een kwantumnetwerk, zouden ze perfect beveiligde communicatie tussen meer dan twee partijen mogelijk maken of rekenkracht combineren om veel moeilijkere problemen op te lossen dan een kwantumcomputer alleen zou kunnen.

In een uitgenodigde sessie op de maartbijeenkomst van de American Physical Society hebben twee natuurkundigen van de Chicago Quantum Exchange verschillende benaderingen gevolgd om een ​​obstakel aan te pakken dat centraal staat bij de implementatie van grootschalige op de grond gebaseerde kwantumnetwerken:de afstand tussen knooppunten wordt beperkt door hoe ver een kwantumsignaal kan reizen door optische vezel.

Een oplossing om zowel gegevensverlies te versterken als te voorkomen

Liang Jiang, professor aan de Universiteit van Chicago, richtte zich op de meest nagestreefde oplossing:een kwantumrepeater. Quantumrepeaters zouden tussen knooppunten in een netwerk worden geplaatst om het kwantumsignaal te regenereren, zodat het langere afstanden kan afleggen. Niemand heeft nog een succesvolle kwantumrepeater gedemonstreerd, hoewel "er aanzienlijke vooruitgang is in deze richting", aldus Jiang.

Naast het regenereren van het signaal, kunnen kwantumrepeaters ook dataverlies over lange afstanden voorkomen door middel van foutcorrectie. Foutcorrectiecodes zijn gebruikelijk in klassieke netwerken, zoals Bluetooth en WiFi, waar ze de fouten controleren die van nature optreden in gegevens, aangezien een signaal deze van het ene apparaat naar het andere transporteert.

Maar kwantumsystemen zijn extreem gevoelig voor fouten vanwege de gevoelige aard van hun kwantumtoestanden, dus foutcorrectie is een groot en belangrijk studiegebied op het gebied van kwantumtechnologie.

"Er zijn twee belangrijke vragen te stellen, vanuit het perspectief van de theorie," zei Jiang. "Ten eerste, wat is de maximale hoeveelheid kwantuminformatie die kan worden verzonden via een luidruchtig glasvezelkanaal? Ten tweede, stel dat we die limiet kennen. Kunnen we dit bereiken met een goed ontwerp van kwantumfoutcorrigerende code?"

Naast strategieën voor kwantumfoutcorrectie in kwantumrepeaters, evenals hun voorspelde efficiëntie, deelde Jiang een andere toepassing van kwantumnetwerken:kwantumdatacenters (QDC's), waar gebruikers op een kwantumnetwerk toegang hebben tot een klassieke database voor doeleinden van kwantumnetwerken. computergebruik. Het apparaat dat nodig is om klassieke gegevens uit een database op te halen als kwantumbits, een quantum random access memory (QRAM) genoemd, zou waarschijnlijk extreem duur zijn, maar Jiang ziet QDC's als een oplossing.

"Misschien willen we de QRAM gebruiken als een kwantumserver, die verbinding maakt met gebruikers via een kwantumnetwerk," zei Jiang. "Alle individuele gebruikers kunnen dan de database opvragen via het kwantumnetwerk zonder een QRAM aan hun zijde te hebben. Dit zou de kosten van zo'n duur apparaat kunnen delen."

Kwantumnetwerken in de lucht en daarbuiten brengen

Voor Paul Kwiat, Bardeen Professor of Physics aan de University of Illinois Urbana-Champaign, zou een oplossing voor het probleem van glasvezelsignaalverlies kunnen zijn om het kwantumnetwerk van de grond en in de lucht te brengen, via drones of zelfs de ruimte in, met satellieten.

"Op dit moment hebben we vrijwel alleen lokale glasvezelnetwerken, op enkele uitzonderingen na", zegt Kwiat. "En ik heb deze visie van waar we naartoe willen - een situatie die veel heterogener is, waar we verbindingen hebben tussen allerlei soorten platforms ... met behulp van satellieten, verbinding met luchtvaartuigen, drones, vrachtwagens of boten." Hij merkte op dat signaalverlies door de vrije ruimte veel langzamer gaat dan door optische vezels, waardoor een kwantumsignaal over een grotere afstand kan worden verzonden.

Er zijn veel voordelen aan zo'n "mobiel" kwantumnetwerk, waarbij de knooppunten gemakkelijk te verplaatsen zijn. Sommige zijn wetenschappelijk, zoals het uitvoeren van grootschalige kwantumdetectie of het bestuderen van kwantumverschijnselen in verschillende traagheidsframes om de relatie tussen kwantummechanica en relativiteit te testen. Sommige zijn praktischer:het gebruik van voertuigen in de lucht als knooppunten voor kwantumcommunicatie waar glasvezelverbindingen geen optie zijn, zoals op marineschepen op de oceaan.

Een kwantumnetwerk tussen satellieten in de ruimte zou nog meer tests van fundamentele kwantummechanica mogelijk maken, met grotere afstanden en snelheden dan op aarde mogelijk is, en over gebieden met veranderende zwaartekrachtseffecten.

Het afgelopen jaar hielp NASA bij de financiering van een door de VS geleid project genaamd Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (SEAQUE), dat kwantumcommunicatietechnologieën in een baan om de aarde zal testen. Het zal de eerste kwantuminformatiewetenschapslading zijn op een commerciële ruimtestationmodule:Nanoracks Bishop Airlock, die is bevestigd aan het internationale ruimtestation. Het zal ook de eerste gevlogen "geïntegreerde optische golfgeleiderbron" zijn, die efficiënter is dan eerdere, vergelijkbare kwantumexperimenten, omdat er geen bewegende delen zijn die regelmatig opnieuw moeten worden uitgelijnd. SEAQUE staat momenteel gepland voor de lente van 2023.

De groep van Kwiat, die het project leidt, is verantwoordelijk voor het optische laadvermogen en de besturingskaart voor SEAQUE; andere elementen worden geleverd door instellingen in de VS, Canada en Singapore.

"Ik ben opgewonden omdat het een trinationaal kwantumexperiment in de ruimte is", zei Kwiat. "Het is heel leuk geweest." + Verder verkennen

Fouttolerant kwantumcomputergeheugen in diamant