_ Rețea cuantică între două laboratoare naționale realizează o sincronizare record

Colaborarea cuantică demonstrează în Chicagoland primii pași către rețelele cuantice funcționale la distanță lungă prin fibră optică de telecomunicații implementată, deschizând ușa către calculul cuantic scalabil.

Lumea așteaptă cuantica. tehnologie. Se așteaptă ca calculul cuantic să rezolve probleme complexe pe care calculul actual sau clasic nu nu le poate. Și rețelele cuantice sunt esențiale pentru realizarea întregului potențial al calculului cuantic, permițând progrese în înțelegerea noastră a naturii, precum și aplicații care îmbunătățesc viața de zi cu zi.

Dar pentru a deveni realitate este nevoie de dezvoltarea unor computere cuantice precise. și rețele cuantice fiabile care valorifică tehnologiile actuale de calcul și infrastructura existentă.

Recent, ca un fel de dovadă a potențialului și un prim pas către rețelele cuantice funcționale, o echipă de cercetători de la Illinois‐Express Quantum Network ( IEQNET) a implementat cu succes o rețea cuantică la distanță lungă între două laboratoare ale Departamentului de Energie al SUA (DOE), folosind fibre optice locale.

Experimentul a marcat pentru prima dată când fotonii codificați cuantici — particula prin care informațiile cuantice este livrat — iar semnalele clasice au fost livrate simultan pe o distanță la scară metropolitană, cu un nivel de sincronizare fără precedent.

Colaborarea IEQNET, inclusiv folosește Acceleratorul Național Fermi și laboratoarele Naționale Argonne ale DOE, Universitatea Northwestern și Caltech. Succesul lor este derivat, parțial, din faptul că membrii săi cuprind arhitecturile de calcul, de la clasice și cuantice până la hibride.

„Să avem două laboratoare naționale, care să fie la 50 de kilometri una de cealaltă, care lucrează pe cuantică. rețelele cu această gamă comună de capacități tehnice și expertiză, nu este un lucru banal”, a declarat Panagiotis Spentzouris, șeful Programului de Știință Cuantică la Fermilab și cercetător principal al proiectului. „Aveți nevoie de o echipă diversă pentru a ataca această problemă foarte dificilă și complexă.”

Și pentru acea echipă, sincronizarea s-a dovedit a fi fiara de îmblânzit. Împreună, au arătat că este posibil ca semnalele cuantice și clasice să coexiste în aceeași fibră de rețea și să realizeze sincronizarea, atât la distanțe la scară metropolitană, cât și în condițiile lumii reale.

Rețelele de calcul clasice, subliniază cercetătorii. afară, sunt suficient de complexe. Introducerea provocării rețelelor cuantice în combinație schimbă jocul în mod considerabil.

Atunci când computerele clasice trebuie să execute operațiuni și funcții sincronizate, cum ar fi cele necesare pentru securitate și accelerarea calculelor, ele se bazează pe ceva numit Network Time Protocol (NTP). Acest protocol distribuie un semnal de ceas pe aceeași rețea care transportă informații, cu o precizie de un milion de ori mai rapidă decât o clipire.

Cu calculul cuantic, precizia necesară este și mai mare. Imaginează-ți că NTP-ul clasic este un alergător olimpic; ceasul pentru calculul cuantic este The Flash, super-eroul super-rapid din benzi desenate și filme.

Pentru a se asigura că primesc perechi de fotoni care sunt încurcați - capacitatea de a se influența unul pe altul de la distanță - cercetătorii trebuie generează fotoni codificați cuantici în număr mare.

Cunoașterea perechilor care sunt încurcate este locul în care intervine sincronicitatea. Echipa a folosit semnale de sincronizare similare pentru a sincroniza ceasurile la fiecare destinație sau nod în cadrul Fermilab-ului. Rețeaua Argonne.

Electronica de precizie este folosită pentru a regla acest semnal de temporizare pe baza unor factori cunoscuți, cum ar fi distanța și viteza - în acest caz, fotonii călătoresc întotdeauna cu viteza luminii - precum și interferențele generate de mediul înconjurător, cum ar fi schimbările de temperatură sau vibrațiile, în fibra optică.

Deoarece aveau doar două fire de fibre între cele două laboratoare, cercetătorii au trebuit să trimită ceasul pe aceeași fibră care transporta fotonii încâlciți. Modul de separare a ceasului de semnalul cuantic este de a folosi lungimi de undă diferite, dar aceasta vine cu propria provocare.

„Alegerea lungimilor de undă adecvate pentru semnalele de sincronizare cuantică și clasică este foarte importantă pentru a minimiza interferența care va afectează informațiile cuantice”, a spus Rajkumar Kettimuthu, un informatician Argonne și membru al echipei de proiect. „O analogie ar putea fi aceea că fibra este un drum, iar lungimile de undă sunt benzi. Fotonul este un biciclist, iar ceasul este un camion. Dacă nu suntem atenți, camionul poate trece pe banda de biciclete. Așa că, am efectuat o număr mare de experimente pentru a se asigura că camionul a rămas pe banda sa.”

În cele din urmă, cei doi au fost alocați și controlați corespunzător, iar semnalul de sincronizare și fotonii au fost distribuiți din surse de la Fermilab. Pe măsură ce fotonii au ajuns în fiecare locație, măsurătorile au fost efectuate și înregistrate folosind detectoarele supraconductoare cu nanofire unice de la Argonne.

„Am arătat niveluri record de sincronizare folosind o tehnologie ușor disponibilă care se bazează pe semnale de frecvență radio codificate în lumină.” a spus Raju Valivarthi, cercetător Caltech și membru al echipei IEQNET. „Am construit și testat sistemul la Caltech, iar experimentele IEQNET demonstrează disponibilitatea și capacitățile sale într-o rețea de fibră optică din lumea reală care conectează două laboratoare naționale majore.”

Rețeaua a fost sincronizată atât de precis încât a înregistrat doar o diferență de timp de 5 picosecunde în ceasurile din fiecare locație; o picosecundă este o trilionime dintr-o secundă.

O astfel de precizie va permite oamenilor de știință să identifice și să manipuleze cu precizie perechile de fotoni încâlciți pentru a sprijini operațiunile de rețea cuantică pe distanțe metropolitane în condiții reale. Bazându-se pe această realizare, echipa IEQNET se pregătește să efectueze experimente pentru a demonstra schimbarea încurcăturii. Acest proces permite încurcarea între fotoni din diferite perechi încurcate, creând astfel canale de comunicare cuantică mai lungi.

„Aceasta este prima demonstrație în condiții reale de utilizare a fibrei optice reale pentru a obține acest tip de precizie superioară de sincronizare și capacitatea să coexiste cu informațiile cuantice”, a spus Spentzouris. „Această performanță record este un pas esențial pe calea spre construirea de rețele cuantice cu mai multe noduri practice.”

(Fluierul)