Fysikere demonstrerer det første kvantecomputernetværk i storbyområdet i Boston

Det er én ting at opfinde et kvante-internet, der kunne sende hackersikker information rundt i verden via fotoner overlejret i forskellige kvantetilstande. Det er noget helt andet at fysisk vise, at det er muligt.

Det er præcis, hvad Harvard-fysikere har gjort ved at bruge eksisterende telekommunikationsfiber i Boston-området i en demonstration af verdens længste fiberafstand mellem to kvantehukommelsesknuder til dato. Tænk på det som et simpelt, lukket internet mellem punkt A og B, der bærer et signal, der ikke er kodet af klassiske bits som det eksisterende internet, men af ​​perfekt sikre, individuelle lyspartikler.

Det banebrydende arbejde med titlen "Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network" og udgivet i Nature , blev ledet af Mikhail Lukin, Joshua og Beth Friedman University Professor i Institut for Fysik, i samarbejde med Harvard professorerne Marko Lončar og Hongkun Park, som alle er medlemmer af Harvard Quantum Initiative, sammen med forskere ved Amazon Web Services.

Harvard-teamet etablerede den praktiske fremstilling af det første kvanteinternet ved at sammenfiltre to kvantehukommelsesknuder adskilt af optisk fiberforbindelse, der er installeret over en cirka 22-mile sløjfe gennem Cambridge, Somerville, Watertown og Boston. De to noder var placeret en etage fra hinanden i Harvard's Laboratory for Integrated Science and Engineering.

Kvantehukommelse, analogt med klassisk computerhukommelse, er en vigtig komponent i en sammenkoblet kvanteberegningsfremtid, fordi den giver mulighed for komplekse netværksoperationer og informationslagring og -hentning. Mens andre kvantenetværk er blevet skabt i fortiden, er Harvard-teamets længste fibernetværk mellem enheder, der kan lagre, behandle og flytte information.

Hver knude er en meget lille kvantecomputer, lavet af en diamantskive, der har en defekt i sin atomare struktur kaldet et silicium-fritidscenter. Inde i diamanten forstærker udskårne strukturer, der er mindre end en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår, interaktionen mellem silicium-fritidscentret og lyset.

Silicium-tomgangscentret indeholder to qubits eller bits af kvanteinformation:den ene i form af et elektronspin, der bruges til kommunikation, og den anden i et længerevarende nuklear spin, der bruges som en hukommelsesqubit til at lagre sammenfiltring (det kvantemekaniske egenskab, der gør det muligt at korrelere information perfekt over enhver afstand).

Begge spins er fuldt kontrollerbare med mikrobølgeimpulser. Disse diamantenheder - kun få millimeter i kvadrat - er anbragt inde i fortyndingskøleenheder, der når temperaturer på -459°F.

At bruge silicium-fritidscentre som kvantehukommelsesenheder til enkelte fotoner har været et flerårigt forskningsprogram på Harvard. Teknologien løser et stort problem i det teoretiserede kvanteinternet:signaltab, der ikke kan forstærkes på traditionelle måder.

Et kvantenetværk kan ikke bruge standardoptiske fibersignalrepeatere, fordi kopiering af vilkårlig kvanteinformation er umulig - hvilket gør informationen sikker, men også meget svær at transportere over lange afstande.

Silicium ledige center-baserede netværksknuder kan fange, gemme og sammenfiltre bits af kvanteinformation, mens de korrigerer for signaltab. Efter afkøling af knudepunkterne til tæt på det absolutte nulpunkt sendes lys gennem den første knude, og som følge af siliciumfritidscentrets atomstruktur bliver det viklet ind i det.

"Da lyset allerede er viklet ind i den første knude, kan det overføre denne sammenfiltring til den anden knude," forklarede førsteforfatter Can Knaut, en Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences-studerende i Lukins laboratorium. "Vi kalder dette foton-medieret sammenfiltring."

I løbet af de sidste mange år har forskerne lejet optisk fiber fra en virksomhed i Boston for at køre deres eksperimenter, idet de har tilpasset deres demonstrationsnetværk oven på den eksisterende fiber for at indikere, at det ville være muligt at skabe et kvanteinternet med lignende netværkslinjer.

"At vise, at kvantenetværksknuder kan vikles ind i det virkelige miljø i et meget travlt byområde, er et vigtigt skridt mod praktisk netværk mellem kvantecomputere," sagde Lukin.

Et to-node kvantenetværk er kun begyndelsen. Forskerne arbejder ihærdigt på at udvide deres netværks ydeevne ved at tilføje noder og eksperimentere med flere netværksprotokoller.