Forskere undersøger kvantenetværksløsninger, via jorden og ad luftvejen

Mens kvantecomputere repræsenterer en revolution inden for beregning, kan de ikke kommunikere med hinanden, som almindelige computere kan – over internettet. Hvis kvantecomputere kunne forbindes gennem et kvantenetværk, kunne de lette perfekt sikker kommunikation mellem mere end to parter eller kombinere computerkraft for at løse meget sværere problemer, end én kvantecomputer kunne gøre alene.

I en inviteret session ved American Physical Society's marts-møde tog to Chicago Quantum Exchange-fysikere forskellige tilgange til at løse en forhindring, der er central for implementeringen af ​​storskala jordbaserede kvantenetværk:afstanden mellem noder er begrænset af, hvor langt et kvantesignal kan rejse gennem optisk fiber.

En løsning til både at forstærke og forhindre tab af data

Liang Jiang, professor ved University of Chicago, fokuserede på den mest udbredte løsning:en kvanterepeater. Kvanterepeatere ville blive placeret mellem noder i et netværk for at regenerere kvantesignalet, så det kunne rejse længere afstande. Ingen har endnu demonstreret en vellykket kvanterepeater, selvom "der er betydelige fremskridt i denne retning," ifølge Jiang.

Udover at regenerere signalet, kunne kvanterepeatere også forhindre datatab over lange afstande gennem fejlkorrektion. Fejlkorrektionskoder er almindelige i klassiske netværk, såsom Bluetooth og WiFi, hvor de styrer de fejl, der naturligt sker i data, da et signal transporterer dem fra en enhed til en anden.

Men kvantesystemer er ekstremt tilbøjelige til fejl på grund af den følsomme natur af deres kvantetilstande, så fejlkorrektion er et stort og vigtigt studieområde inden for kvanteteknologi.

"Der er to vigtige spørgsmål at stille ud fra et teoriperspektiv," sagde Jiang. "For det første, hvad er den maksimale mængde kvanteinformation, der kan transmitteres over en støjende fiberkanal? For det andet, antag, at vi kender den grænse. Kan vi opnå den med et godt kvantefejlkorrigerende kodedesign?"

Ud over strategier for kvantefejlkorrektion i kvanterepeatere, såvel som deres forudsagte effektivitet, delte Jiang en anden applikation af kvantenetværk:kvantedatacentre (QDC'er), hvor brugere på et kvantenetværk kan få adgang til en klassisk database med henblik på kvanteformål. edb. Enheden, der er nødvendig for at hente klassiske data fra en database som kvantebits, kaldet en quantum random access memory (QRAM), ville sandsynligvis være ekstremt dyr, men Jiang ser QDC'er som en løsning.

"Vi vil måske bruge QRAM som en kvanteserver, der forbinder til brugere via et kvantenetværk," sagde Jiang. "Alle individuelle brugere kan derefter forespørge databasen via kvantenetværket uden at skulle have en QRAM på deres side. Dette kan dele omkostningerne ved en så dyr enhed."

Bringer kvantenetværk i luften og videre

For Paul Kwiat, Bardeen professor i fysik ved University of Illinois Urbana-Champaign, kunne en løsning på problemet med fiberoptisk signaltab være at tage kvantenetværket fra jorden og op i luften, via droner eller endda ud i rummet, med satellitter.

"I øjeblikket har vi stort set kun lokale fibernet, med meget få undtagelser," sagde Kwiat. "Og jeg har denne vision om, hvad vi gerne vil flytte til - en situation, der er meget mere heterogen, hvor vi har forbindelser mellem alle mulige platforme ... ved hjælp af satellitter, forbindelse til luftbårne køretøjer, droner, lastbiler eller både." Han bemærkede, at signaltab er meget langsommere gennem fri plads end det er gennem optiske fibre, hvilket betyder, at et kvantesignal kan transmitteres en længere afstand.

Der er mange fordele ved sådan et "mobilt" kvantenetværk, hvor noderne er nemme at omplacere. Nogle er videnskabelige, såsom at udføre kvantesansning i stor skala eller studere kvantefænomener i forskellige inertiale rammer for at teste forholdet mellem kvantemekanik og relativitet. Nogle er mere praktiske:Brug af luftbårne køretøjer som knudepunkter til kvantekommunikation, hvor fiberforbindelser ikke er en mulighed, såsom på flådeskibe på havet.

Et kvantenetværk mellem satellitter i rummet ville give mulighed for endnu flere test af fundamental kvantemekanik, med større afstande og hastigheder, end det er muligt på jorden, og over områder med skiftende gravitationseffekter.

Det sidste år hjalp NASA med at finansiere et amerikansk ledet projekt kaldet Space Entanglement and Annealing Quantum Experiment (SEAQUE), som vil teste kvantekommunikationsteknologier i kredsløb. Det vil være den første kvanteinformationsvidenskabelige nyttelast på et kommercielt rumstationsmodul:Nanoracks Bishop Airlock, som er knyttet til den internationale rumstation. Det vil også være den første fløjne "integrerede optiske bølgelederkilde", som er mere effektiv end tidligere, lignende kvanteeksperimenter, da der ikke er nogen bevægelige stykker, der kræver regelmæssig omjustering. SEAQUE er i øjeblikket planlagt til at lancere i foråret 2023.

Kwiats gruppe, der leder projektet, er ansvarlig for den optiske nyttelast og styrekort for SEAQUE; andre elementer leveres af institutioner i USA, Canada og Singapore.

"Jeg er spændt, fordi det er et tri-nationalt kvanteeksperiment i rummet," sagde Kwiat. "Det har været meget sjovt." + Udforsk yderligere

Fejltolerant kvantecomputerhukommelse i diamant