Nyt netværk

Som ny fælles udnævnt ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, Eden Figueroa er ved at vænne sig til at skifte mellem sine roller inden for laboratoriets Computational Science Initiative (CSI) og Instrumentation Division, mens han også fører tilsyn med Quantum Information Technology-gruppen som fast professor ved Stony Brook University. For de fleste, at arbejde så mange steder på én gang kan være stressende og afbryde. Imidlertid, for Figueroa, som har en langvarig fascination af kvantemekanik, at navigere i komplicerede forbindelser tjener til at inspirere de kvantenetværk, der i øjeblikket konfigureres og testes af hans team.

Ud af kulden

Figueroa startede sin rejse i Mexico som fysiker og eksperimentalist, hvis interesse for kvantemekanik førte ham til University of Konstanz (Tyskland) og Institute for Quantum Information Science ved University of Calgary (Canada) for at studere under A.I. Lvovsky. Mens han forfulgte sin doktorgrad, Figueroa begyndte at bygge kvantehukommelser, atomfyldte glasceller, der stimuleres af lasere til at kontrollere atomtilstandene i dem, eller som han udtrykte det, "at få fotoner til at tale og fortælle deres hemmeligheder til atomer."

"Opbygning af kvantehukommelser gav et aspekt af at kontrollere naturen på de mest fundamentale niveauer - fotoner er lys og partikler, der repræsenterer stof, " Forklarede Figueroa. "Dette var kvanteteknologi på et meget grundlæggende niveau."

Et af de mest karakteristiske aspekter ved drift af kvantehardware er behovet for at holde det koldt - meget koldt; 2 K (-456°F) koldt. Kulden holder partiklerne så stationære som muligt, gør det muligt at foretage målinger. Figueroa indså, at arbejdet ved disse superkolde temperaturer var en begrænsning. Da han spurgte sin professor, om en kvantehukommelse kunne fungere ved stuetemperatur, han fik at vide:"Det tror jeg ikke, men bevis, at jeg tager fejl." Denne kommando var drivkraften til, at Figueroa brugte næsten tre år på at arbejde på forskellige prototyper, indtil han hjalp med at udtænke en funktionsdygtig kvantehukommelse ved stuetemperatur, som siden er blevet udvidet til integreret, bærbare minder i "skoæskestørrelse", der tjener en central rolle i, hvordan hans team bygger et kvantenetværk.

"Strål mig op"

Som en grundlæggende definition, et kvantenetværk overfører kvantedatabits, eller qubits, over afstande ved hjælp af standard telekommunikationsfibre. Imidlertid, i modsætning til den sædvanlige udveksling af 0 og 1 bit, denne dataoverførsel er baseret på kvantemekanikkens love. På det subatomære (kvante) niveau, partikler kan opføre sig meget anderledes, end de gør i tilstande, der almindeligvis forstås af klassisk fysik - eksisterer endda to steder på én gang. Denne "kvantesammenfiltring", hvor partikler deler egenskaber på trods af at de er adskilt af afstand, er en elementær del af kvantenetværkseksperimenterne i gang på Brookhaven Lab, Stony Brook University, og (snart) Yale University.

"Partikler i den kvantemekanik-indviklede verden deler ting, selvom de er tusindvis af miles fra hinanden, " sagde Figueroa. "Hvis du har set Star Trek, det er ligesom når Kirk ringer ind, "Strål mig op." Vi kan bruge kvantesammenfiltring til at teleportere information fra et område til et andet med en hastighed, der ikke kan matches i klassiske systemer."

For at teste denne indsats, Figueroa og andre laboratorieforskere brugte oprindeligt eksisterende kommunikationsfiberlinjer, måler omkring to kilometer (km), eller lidt mere end en mile, mellem bygninger på Brookhaven Lab-campus for at bygge et lille kvantenetværk, der deler sammenfiltring. Især dette igangværende arbejde samler alle Figueroa's forskningsforbindelser. CSI styrer netværkets kvanteberegningsaspekter, samt designer netværk og links, mens Brookhavens Instrumentation-gruppe leverer sammenfiltringsfotoner og anden eksperimentel infrastruktur og muligheder. Nogle testbedets detektionskomponenter er udviklet i laboratoriets fysikafdeling. Figueroa's laboratorium ved Stony Brook University leverer den kvantehukommelse, der behandler informationen. En direkte "tvilling" af det laboratorium er også ved at blive bygget i instrumentbygningen i Brookhaven. Målet er at have et fungerende kvantenet inden for få år.

I et andet kvanteforviklingseksperiment, Figueroa og hans team vil "transmittere fotoner til det frie rum, " dybest set fra et teleskop til et andet i dets direkte linje. Figueroa forklarer, at dette igangværende arbejde vil være en knudepunkt i at bevæge sig mod et mere ekspansivt kvantenetværk.

"Hvis vi kan påvise, at det virker på to eksperimenter sat over 20 km, vi kan sætte mere ind i forbindelser, sagde han. Lige nu, vi ønsker at bygge et netværk mellem Brookhaven, Stony Brook, og derefter til Yale og skabe links fra et campus til et andet, indtil vi aktivt deler fotoner mellem de tre campusser. Måske fem år fra nu, vi kan skalere det system, vi bruger, og sætte flere forbindelser til at dække staten New York, Connecticut, hele den nordøstlige region."

Figueroa krediterede også det nyligt lancerede Northeast Quantum Systems center, kendt som NEQsys, for at lette forbindelsen til Yale University, bemærker, at Brookhaven Lab har givet en regional forbindelse til forskere med fælles interesser i kvanteinformationsvidenskab (QIS), som ellers måske ikke eksisterede.

"Forbindelsen mellem Brookhaven og Stony Brook er en slags naturligt ægteskab, " forklarede han. "Men, NEQsys giver en smuk forbindelse til forskning ved, for eksempel, Yale og MIT, som jeg ikke nødvendigvis ville have interageret med. Nu, med Yale, vi er forbundet og starter en udvidelse af vores forskning. Dette ville ikke være muligt uden NEQsys."

Hvorfor nu? Hvorfor ikke?

Figueroa erkendte serendipity i timingen af ​​disse bestræbelser. Han har set en stigning i interessen for kvante fra enheder som DOE og bemærkede, at ledelse ved Brookhaven Lab og Stony Brook University har tilbudt både faciliteter og muligheder for at lancere de grundlæggende eksperimenter, der er nødvendige for at forstærke QIS-forskning.

"Vi er stødt på udfordringen:først, opbygning af kvantehukommelse ved stuetemperatur. Nu, vi kan bygge det, " forklarede han. "Nu, vi har laboratorier kørende forskellige steder for at lancere et kvantenetværk. Disse ideer kommer kun fremad, når du er villig til at sætte ressourcer i at løse problemet. Tilgangene faldt virkelig sammen ved Brookhaven. Kerstin [Kleese van Dam, CSI-direktør], Dimitri [Katramatos, CSI videnskabsmand], Gabriella [Carini, Instrumentering, viceafdelingschef], og Andrei [Nomerotski, Fysiker], alle har været støttende, får det, vi har brug for for at skabe denne kvanteinfrastruktur."

For det meste, Figueroa er begejstret og imponeret over det niveau af engagement, han har set fra alle involverede, efterhånden som eksperimenterne vokser. De tekniske trin og skalering kræver ledende videnskabsmænds hjernekraft, informationsteknologi ingeniører, kandidatstuderende, og mere. Figueroa tilføjede, at den stigende opmærksomhed på QIS også genererer øget interesse blandt studerende.

"De ved, at inden for kvanteforskning, der sker nogle ting, som aldrig er blevet gjort, og de kan se hardwaren, infrastruktur, og bevillinger til forskning. Det er meget kraftfuldt, og betingelserne er rigtige. For studerende, det er magisk, " han sagde.

Træning af næste generation er en anden ingrediens i planen om at forstærke QIS, især i New York. Ifølge Figueroa, Stony Brook University vil begynde at tilbyde kurser i efteråret 2019 mod en masteruddannelse med vægt på QIS. Kurserne vil tilbyde fordybelse i kvante for ingeniører eller videnskabsmænd, som han håber vil fodre startups inden for kvanteteknologi. Ved at inkludere Brookhaven Lab som ressourcepartner, Figueroa forestiller sig "at give et Long-Island-centreret kvanteprogram."

Figueroa erkendte let, at der er et fuldgyldigt konkurrenceløb om at være den første i verden til at være vært for et skalerbart kvantenetværk, der deler sammenfiltring. Allerede, Kina har et næsten 10-årigt forspring på sine kvanteinvesteringer med Europa ikke så langt bagud. Stadig, med mange udfordringer tilbage for at låse op for et fungerende kvantenetværk, Figueroa oser af optimisme, når han kigger på forskningslandskabet.

"Hvorfor ikke være dem, der gør det?" spurgte han. "Vi kan lede dette område. Det er det rigtige tidspunkt at få det gjort. Hvis vi får det til at ske, det ville være en hovedhistorie i New York Times . Det ville være spilskiftende for samfundet. Jeg er pumpet over det. Vi kan få lavet noget smukt."