Forskere når en milepæl for kvante-netværk i det virkelige miljø

Et team fra US Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Stanford University og Purdue University udviklede og demonstrerede en roman, fuldt funktionelt kvante -lokalnetværk, eller QLAN, at muliggøre realtidsjusteringer af oplysninger, der deles med geografisk isolerede systemer på ORNL ved hjælp af sammenfiltrede fotoner, der passerer gennem optisk fiber.

Dette netværk eksemplificerer, hvordan eksperter rutinemæssigt kan forbinde kvantecomputere og sensorer i praktisk skala, og dermed realisere det fulde potentiale for disse næste generations teknologier på vejen mod det meget forventede kvanteinternet. Holdets resultater, som udgives i PRX Quantum , markere kulminationen på mange års relateret forskning.

Lokale netværk, der forbinder klassiske computerenheder, er ikke noget nyt, og QLAN'er er blevet testet med succes i bordpladeundersøgelser. Quantum key distribution har hidtil været det mest almindelige eksempel på kvantekommunikation i feltet, men denne procedure er begrænset, fordi den kun skaber sikkerhed, ikke sammenfiltring, mellem websteder.

"Vi forsøger at lægge et fundament, som vi kan bygge et kvante -internet på ved at forstå kritiske funktioner, såsom sammenfiltringsfordelingsbåndbredde, "sagde Nicholas Peters, afdelingsleder for Quantum Information Science på ORNL. "Vores mål er at udvikle de grundlæggende værktøjer og byggesten, vi har brug for til at demonstrere kvantenetværksapplikationer, så de kan implementeres i rigtige netværk for at realisere kvantefordele."

Når to fotoner - lyspartikler - er parret sammen, eller viklet ind, de udviser kvantekorrelationer, der er stærkere end dem, der er mulige med enhver klassisk metode, uanset den fysiske afstand mellem dem. Disse interaktioner muliggør kontraintuitive kvantekommunikationsprotokoller, der kun kan opnås ved hjælp af kvanteressourcer.

En sådan protokol, fjernforberedelse af staten, udnytter sammenfiltring og klassisk kommunikation for at kode information ved at måle den ene halvdel af et sammenfiltret fotonpar og effektivt konvertere den anden halvdel til den foretrukne kvantetilstand. Peters ledede den første generelle eksperimentelle realisering af fjerntliggende statsforberedelse i 2005, mens han fik sin doktorgrad i fysik. Teamet anvendte denne teknik på tværs af alle de parrede links i QLAN-en bedrift, der ikke tidligere var opnået på et netværk-og demonstrerede skalerbarheden af ​​sammenfiltringsbaseret kvantekommunikation.

Denne tilgang gjorde det muligt for teamet at forbinde tre eksterne noder, kendt som "Alice, "" Bob "og" Charlie " - navne, der almindeligvis bruges til fiktive karakterer, der kan kommunikere gennem kvanteoverførsler - placeret i tre forskellige forskningslaboratorier i tre separate bygninger på ORNL's campus. Fra laboratoriet, der indeholder Alice og fotonkilden, fotonerne distribuerede sammenfiltring til Bob og Charlie gennem ORNLs eksisterende fiberoptiske infrastruktur.

Kvantnetværk er inkompatible med forstærkere og andre klassiske signalforstærkende ressourcer, som forstyrrer de kvantekorrelationer, der deles af sammenfiltrede fotoner. Med denne potentielle ulempe i tankerne, teamet indarbejdede fleksibel netbåndbredde, som bruger bølgelængdeselektive switches til at allokere og omfordele kvanteressourcer til netværksbrugere uden at afbryde QLAN. Denne teknik giver en form for indbygget fejltolerance, hvorigennem netværksoperatører kan reagere på en uventet hændelse, såsom en ødelagt fiber, ved at omdirigere trafik til andre områder uden at forstyrre netværkets hastighed eller gå på kompromis med sikkerhedsprotokoller.

"Fordi efterspørgslen i et netværk kan ændre sig over tid eller med forskellige konfigurationer, du vil ikke have et system med faste bølgelængdekanaler, der altid tildeler bestemte brugere de samme portioner, "sagde Joseph Lukens, en Wigner -stipendiat og forsker ved ORNL samt teamets elektrotekniske ekspert. "I stedet, du vil have fleksibiliteten til at give mere eller mindre båndbredde til brugere på netværket i henhold til deres behov. "

Sammenlignet med deres typiske klassiske modstykker, kvante netværk har brug for, at timingen af ​​hver node's aktivitet skal synkroniseres meget tættere. For at opfylde dette krav, forskerne stolede på GPS, den samme alsidige og omkostningseffektive teknologi, der bruger satellitdata til at levere daglige navigationstjenester. Ved hjælp af en GPS -antenne placeret i Bobs laboratorium, teamet delte signalet med hver node for at sikre, at de GPS-baserede ure blev synkroniseret inden for få nanosekunder, og at de ikke ville glide fra hinanden under forsøget.

Efter at have opnået præcise tidsstempler for ankomsten af ​​sammenfiltrede fotoner fanget af fotondetektorer, teamet sendte disse målinger fra QLAN til et klassisk netværk, hvor de samlede data af høj kvalitet fra alle tre laboratorier.

"Denne del af projektet blev et udfordrende klassisk netværkseksperiment med meget snævre tolerancer, "Lukens sagde." Timing på et klassisk netværk kræver sjældent det niveau af præcision eller så megen opmærksomhed på detaljer vedrørende kodning og synkronisering mellem de forskellige laboratorier. "

Uden GPS -signalet, QLAN -demonstrationen ville have genereret data af lavere kvalitet og reduceret troværdighed, en matematisk metrik knyttet til kvantenetværksydelse, der måler afstanden mellem kvantetilstande.

Teamet forventer, at små opgraderinger til QLAN, herunder tilføjelse af flere noder og indlejring af bølgelængdeselektive switches sammen, ville danne kvanteversioner af sammenkoblede netværk - den bogstavelige definition af internettet.

"Internettet er et stort netværk, der består af mange mindre netværk, "sagde Muneer Alshowkan, en postdoc forsker på ORNL, der bragte værdifuld datalogisk ekspertise til projektet. "Det næste store skridt mod udviklingen af ​​et kvanteinternet er at forbinde QLAN til andre kvantenetværk."

Derudover teamets resultater kunne anvendes til at forbedre andre detektionsteknikker, såsom dem, der bruges til at søge bevis for undvigende mørkt stof, den usynlige substans, der menes at være universets dominerende kilde til stof.

"Forestil dig at bygge netværk af kvantesensorer med evnen til at se grundlæggende fysiske effekter med høj energi, "Sagde Peters." Ved at udvikle denne teknologi, vi sigter mod at sænke den følsomhed, der er nødvendig for at måle disse fænomener, for at hjælpe i den igangværende søgen efter mørkt stof og andre bestræbelser på bedre at forstå universet. "

Forskerne planlægger allerede deres næste forsøg, som vil fokusere på at implementere endnu mere avancerede timing -synkroniseringsmetoder til at reducere antallet af utilsigtede - kilderne til støj i netværket - og yderligere forbedre QLAN's servicekvalitet.