Forskere etablerer det første sammenfiltringsbaserede kvantenetværk

Et team af forskere fra QuTech i Holland rapporterer realiseringen af ​​det første multi-node kvantenetværk, forbinder tre kvanteprocessorer. Ud over, de opnåede en proof-of-princip demonstration af vigtige kvantenetværksprotokoller. Deres resultater markerer en vigtig milepæl mod det fremtidige kvanteinternet og er nu blevet offentliggjort i Videnskab .

Kraften ved internettet er, at det tillader alle to computere på Jorden at forbinde. I dag, forskere i mange laboratorier rundt om i verden arbejder hen imod de første versioner af et kvanteinternet - et netværk, der kan forbinde hvilke som helst to kvanteenheder, såsom kvantecomputere eller sensorer, over store afstande. Mens nutidens internet distribuerer information i bits, der kan være enten 0 eller 1, et fremtidigt kvanteinternet vil gøre brug af kvantebits, der kan være 0 og 1 på samme tid.

"Et kvanteinternet vil åbne op for en række nye applikationer, fra uhackbar kommunikation og cloud computing med komplet brugerbeskyttelse til højpræcisions tidsregistrering, " siger Matteo Pompili, Ph.d. studerende og medlem af forskerteamet. "Og ligesom med internettet for 40 år siden, der er sikkert mange applikationer, vi ikke kan forudse lige nu."

Mod allestedsnærværende forbindelse

De første skridt mod et kvanteinternet blev taget i det sidste årti ved at forbinde to kvanteenheder, der delte et direkte fysisk link. Imidlertid, at kunne videregive kvanteinformation gennem mellemliggende noder (analogt med routere på det klassiske internet) er afgørende for at skabe et skalerbart kvantenetværk. Ud over, mange lovende kvanteinternetapplikationer er afhængige af sammenfiltrede kvantebits fordelt mellem flere noder. Entanglement er et fænomen observeret på kvanteskalaen, grundlæggende forbinder partikler på små og endda på store afstande. Det giver kvantecomputere deres enorme beregningskraft, og det er den grundlæggende ressource til at dele kvanteinformation over det fremtidige kvanteinternet. Ved at realisere deres kvantenetværk i laboratoriet, et team af forskere ved QuTech – et samarbejde mellem Delft University of Technology og TNO – er det første, der har forbundet to kvanteprocessorer gennem en mellemliggende node og har etableret fælles sammenfiltring mellem flere selvstændige kvanteprocessorer.

Drift af kvantenetværket

Det rudimentære kvantenetværk består af tre kvanteknuder, i nogen afstand i samme bygning. For at få disse noder til at fungere som et ægte netværk, forskerne måtte opfinde en ny arkitektur, der muliggør skalering ud over et enkelt led. Den midterste knude (kaldet Bob) har en fysisk forbindelse til begge ydre knudepunkter (kaldet Alice og Charlie), hvilket gør det muligt at etablere sammenfiltringsforbindelser med hver af disse knudepunkter. Bob er udstyret med en ekstra kvantebit, der kan bruges som hukommelse, gør det muligt at lagre et tidligere genereret kvantelink, mens et nyt link etableres. Efter at have etableret kvanteforbindelserne Alice-Bob og Bob-Charlie, et sæt kvanteoperationer hos Bob konverterer disse links til et kvantelink Alice-Charlie. Alternativt ved at udføre et andet sæt kvanteoperationer hos Bob, sammenfiltring mellem alle tre noder etableres.

Klar til efterfølgende brug

Et vigtigt træk ved netværket er, at det annoncerer den succesfulde gennemførelse af disse (iboende sandsynlige) protokoller med et "flag"-signal. Sådan varsling er afgørende for skalerbarhed, som i et fremtidigt kvanteinternet vil mange af sådanne protokoller skulle sammenkædes. "Når først er etableret, vi var i stand til at bevare de resulterende sammenfiltrede tilstande, beskytte dem mod støj, " siger Sophie Hermans, et andet medlem af holdet. "Det betyder at, i princippet, vi kan bruge disse tilstande til kvantenøglefordeling, en kvanteberegning eller enhver anden efterfølgende kvanteprotokol."

Quantum internet demonstrator

Dette første sammenfiltringsbaserede kvantenetværk giver forskerne en unik testbed til at udvikle og teste kvanteinternethardware, software og protokoller. "Det fremtidige kvanteinternet vil bestå af utallige kvanteenheder og mellemliggende noder, " siger Ronald Hanson, der ledede forskerholdet. "Kolleger hos QuTech undersøger allerede fremtidig kompatibilitet med eksisterende datainfrastrukturer." Til sin tid, den nuværende proof-of-principle tilgang vil blive testet uden for laboratoriet på eksisterende telekommunikationsfiber - på QuTechs Quantum internet Demonstrator, hvoraf den første storbyforbindelse efter planen skal stå færdig i 2022.

Lag på højere niveau

I laboratoriet, forskerne vil fokusere på at tilføje flere kvantebits til deres tre-node netværk og på at tilføje højere niveau af software og hardware lag. Pompili:"Når alle kontrol- og grænsefladelag på højt niveau til at køre netværket er blevet udviklet, enhver vil være i stand til at skrive og køre en netværksapplikation uden at skulle forstå, hvordan lasere og kryostater fungerer. Det er slutmålet."