Kvantenetværk mellem to nationale laboratorier opnår rekordsynkronisering

Kvantesamarbejde demonstrerer i Chicagoland de første skridt mod funktionelle langdistance kvantenetværk over udrullet telekommunikationsfiberoptik, hvilket åbner døren til skalerbar kvanteberegning.

Verden venter på kvanteteknologi. Kvantecomputere forventes at løse komplekse problemer, som nuværende eller klassiske databehandlinger ikke kan. Og kvantenetværk er afgørende for at realisere det fulde potentiale af kvantecomputere, hvilket muliggør gennembrud i vores forståelse af naturen samt applikationer, der forbedrer hverdagen.

Men at gøre det til virkelighed kræver udvikling af præcise kvantecomputere og pålidelige kvantenetværk, der udnytter nuværende computerteknologier og eksisterende infrastruktur.

For nylig, som en slags bevis på potentiale og et første skridt mod funktionelle kvantenetværk, har et team af forskere med Illinois-Express Quantum Network (IEQNET) med succes implementeret et langdistance kvantenetværk mellem to U.S. Department of Energy (DOE) laboratorier. ved hjælp af lokal fiberoptik.

Eksperimentet markerede første gang, at kvantekodede fotoner – den partikel, hvorigennem kvanteinformationen leveres – og klassiske signaler blev leveret samtidigt over en afstand i storbyskala med et hidtil uset niveau af synkronisering.

IEQNET-samarbejdet omfatter DOE's Fermi National Accelerator og Argonne National-laboratorier, Northwestern University og Caltech. Deres succes er til dels afledt af det faktum, at dets medlemmer omfatter bredden af ​​computerarkitekturer, fra klassisk og kvante til hybrid.

"At have to nationale laboratorier, der er 50 kilometer fra hinanden, og som arbejder på kvantenetværk med denne delte række af tekniske kapaciteter og ekspertise, er ikke en triviel ting," sagde Panagiotis Spentzouris, leder af Quantum Science Program på Fermilab og ledende forsker i projekt. "Du har brug for et mangfoldigt team til at angribe dette meget vanskelige og komplekse problem."

Og for det hold viste synkronisering, at udyret kunne tæmme. Sammen viste de, at det er muligt for kvante- og klassiske signaler at eksistere side om side på tværs af den samme netværksfiber og opnå synkronisering, både i storby-skala afstande og virkelige forhold.

Klassiske computernetværk, påpeger forskerne, er komplekse nok. At introducere den udfordring, der er kvantenetværk i blandingen, ændrer spillet betydeligt.

Når klassiske computere skal udføre synkroniserede operationer og funktioner, som dem, der kræves til sikkerhed og beregningsacceleration, er de afhængige af noget, der kaldes Network Time Protocol (NTP). Denne protokol distribuerer et ursignal over det samme netværk, der bærer information, med en præcision, der er en million gange hurtigere end et blink med øjet.

Med kvanteberegning er den nødvendige præcision endnu større. Forestil dig, at den klassiske NTP er en olympisk løber; uret til kvanteberegning er The Flash, den superhurtige superhelt fra tegneserier og film.

For at sikre, at de får par af fotoner, der er viklet ind - evnen til at påvirke hinanden på afstand - skal forskerne generere de kvantekodede fotoner i stort antal.

At vide, hvilke par der er viklet ind, er der, hvor synkroniteten kommer ind. Holdet brugte lignende timingsignaler til at synkronisere urene på hver destination eller node på tværs af Fermilab-Argonne-netværket.

Præcisionselektronik bruges til at justere dette tidssignal baseret på kendte faktorer, såsom afstand og hastighed - i dette tilfælde, at fotoner altid bevæger sig med lysets hastighed - såvel som for interferens genereret af omgivelserne, såsom temperaturændringer eller vibrationer, i fiberoptikken.

Fordi de kun havde to fibertråde mellem de to laboratorier, måtte forskerne sende uret på den samme fiber, som bar de sammenfiltrede fotoner. Måden at adskille uret fra kvantesignalet på er at bruge forskellige bølgelængder, men det kommer med sin egen udfordring.

"At vælge passende bølgelængder for kvante- og klassiske synkroniseringssignaler er meget vigtigt for at minimere interferens, der vil påvirke kvanteinformationen," sagde Rajkumar Kettimuthu, en Argonne-computerforsker og medlem af projektteamet. "En analogi kunne være, at fiberen er en vej, og bølgelængder er baner. Fotonen er en cyklist, og uret er en lastbil. Hvis vi ikke er forsigtige, kan lastbilen krydse ind i cykelbanen. Så vi udførte en stort antal eksperimenter for at sikre, at lastbilen forblev i sin vognbane."

I sidste ende blev de to korrekt tildelt og kontrolleret, og timingsignalet og fotonerne blev distribueret fra kilder hos Fermilab. Da fotonerne ankom til hvert sted, blev målinger udført og optaget ved hjælp af Argonnes superledende nanotråds-enkeltfotondetektorer.

"Vi viste rekordniveauer af synkronisering ved hjælp af let tilgængelig teknologi, der er afhængig af radiofrekvenssignaler kodet på lys," sagde Raju Valivarthi, en Caltech-forsker og IEQNET-teammedlem. "Vi byggede og testede systemet hos Caltech, og IEQNET-eksperimenterne viser dets parathed og muligheder i et virkeligt fiberoptisk netværk, der forbinder to store nationale laboratorier."

Netværket blev synkroniseret så præcist, at det kun registrerede en tidsforskel på 5 picosekunder i urene på hvert sted; et picosekund er en trilliontedel af et sekund.

En sådan præcision vil gøre det muligt for forskere nøjagtigt at identificere og manipulere sammenfiltrede fotonpar til at understøtte kvantenetværksoperationer over storbyafstande under virkelige forhold. Med udgangspunkt i denne præstation gør IEQNET-teamet sig klar til at udføre eksperimenter for at demonstrere entanglement-bytte. Denne proces muliggør sammenfiltring mellem fotoner fra forskellige sammenfiltrede par, hvilket skaber længere kvantekommunikationskanaler.

"Dette er den første demonstration under virkelige forhold til at bruge ægte optisk fiber til at opnå denne type overlegen synkroniseringsnøjagtighed og evnen til at sameksistere med kvanteinformation," sagde Spentzouris. "Denne rekordpræstation er et vigtigt skridt på vejen til at bygge praktiske multinode kvantenetværk." + Udforsk yderligere

Kæmpespring mod kvanteinternet realiseret med Bell state analysator