Forskare från US Department of Energy Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University, och DOE:s Energy Sciences Network (ESnet) samarbetar om ett experiment som sätter amerikansk kvantnätverksforskning på den internationella kartan. Forskare har byggt en testbädd för kvantnätverk som ansluter flera byggnader på Brookhaven Lab-campus med unika bärbara kvantinviklingskällor och ett befintligt DOE ESnet-kommunikationsfibernät-ett viktigt steg för att bygga ett storskaligt kvantnät som kan överföra information över långa avstånd.

"Inom kvantmekanik, de intrasslade partiklarnas fysikaliska egenskaper förblir associerade, även när de separeras av stora avstånd. Således, när mätningar utförs på ena sidan, det påverkar också den andra, "sa Kerstin Kleese van Dam, chef för Brookhaven Labs Computational Science Initiative (CSI). "Hittills, detta arbete har framgångsrikt demonstrerats med intrasslade fotoner separerade med cirka 11 miles. Detta är ett av de största distributionsnäten för kvantinvikling i världen, och det längsta avståndet intrasslingsexperimentet i USA. "

Detta testbäddsprojekt för kvantnätverk inkluderar personal från CSI och Brookhavens instrumentationsavdelning och fysikavdelning, liksom lärare och studenter från Stony Brook University. Projektet ingår också i Northeast Quantum Systems Center. En distinkt aspekt av teamets arbete som skiljer det från andra kvantnätverk som drivs i Kina och Europa-båda länge engagerade i kvantinformationsvetenskapliga sysslor-är att trasselkällorna är bärbara och enkelt kan monteras i en standard datacenters datorserver ställ som är anslutna till vanliga fiberdistributionspaneler.

Teamet installerade framgångsrikt en bärbar kvantintrasslad fotonkälla i ett serverrack som finns i BNL Scientific Data and Computing Center, där Labs centrala nätverkshub ligger. Med denna anslutning, intrasslade fotoner kan nu distribueras till varje byggnad på laboratoriets campus med hjälp av befintlig Brookhaven och ESnet fiberinfrastruktur. ESnets fibrer har introducerats i vägar mellan byggnader för att möjliggöra distribution och undersökning av trassel över allt längre avstånd. De bärbara förträngningskällorna är också kompatibla med befintliga kvantminnen, atomfyllda glasceller som kan lagra kvantinformation. Normalt hålls vid superkalla temperaturer, dessa celler kan stimuleras med hjälp av lasrar för att kontrollera atomtillstånden i dem.

I arbete sponsrat av DOE:s Small Business Innovation Research -program (SBIR), Brookhaven-Stony Brook-ESnet testbädd har bärbara kvantminnen som kan fungera vid rumstemperatur. Sådana kvantminnen, konstruerad för kvantnätverk i stor skala, har varit ett länge "husdjursprojekt" för Eden Figueroa, en gemensam utnämnd med Brookhavens CSI- och instrumentationsavdelning och en professor i Stony Brook University som leder dess Quantum Information Technology -grupp. Han fungerar som huvudutredare för kvantnätverkets testbäddsprojekt.

"Demonstrationen syftar till att kombinera intrassling med kompatibla atomkvantminnen, "Sade Figueroa." Våra kvantminnen har fördelen att de fungerar vid rumstemperatur snarare än att de kräver frysning av kyla. Detta gör det naturligt att utvidga testet till principer för kvantrepetrar, som är den tekniska nyckeln till att uppnå kvantkommunikation över hundratals kilometer. "

Kvantnätverk skickar ljuspulser (fotoner) genom fibern, vilket kräver att ljuset periodiskt förstärks när det färdas genom linjerna. Dock, till skillnad från digitala överföringar i kommunikationsnätverk, kvantinvikling begränsas av dekoherens, där intrasslade fotoner, till exempel, återgå till klassiska tillstånd eftersom interaktioner med miljön gör att de tappar förmågan att förbli intrasslade. Detta begränsar dessa bräckliga kvanttillstånd från att skickas över stora avstånd.

Levande kvantupprepare kommer att göra det möjligt för Figueroa och hans team att skala upp sina pågående experiment inom "lokalområdet" kvantnätverk till ett distribuerat, eller "stort område, "version. I väntan på detta, teamet bygger de nödvändiga optiska anslutningarna för att länka Brookhaven Labs kvantnätverk till sådana som redan finns vid Stony Brook och Yale universitet.

"Förverkligande av kvantnätverket med intrasslade fotonkällor monterade i serverrack, bärbara kvantminnen, och driftbara repeaters kommer att markera det första riktiga kvantkommunikationsnätverket i världen som verkligen förbinder kvantberäkningsprocessorer och minnen med hjälp av fotonisk kvantinvikling, "Figueroa sa." Det kommer att markera en havsförändring i kommunikation som kan påverka världen. "