Som ny gemensam utnämnt vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, Eden Figueroa börjar vänja sig vid att gå mellan sina roller inom Labs Computational Science Initiative (CSI) och Instrumentation Division samtidigt som han övervakar Quantum Information Technology-gruppen som fast professor vid Stony Brook University. För de flesta, att arbeta på så många ställen samtidigt kan vara stressande och avbrytande. Dock, för Figueroa, som har en långvarig fascination för kvantmekanik, Att navigera i komplicerade anslutningar tjänar till att inspirera de kvantnätverk som för närvarande konfigureras och testas av hans team.

Ut ur kylan

Figueroa började sin resa i Mexiko som fysiker och experimentalist, vars intresse för kvantmekanik ledde honom till universitetet i Konstanz (Tyskland) och Institutet för kvantinformationsvetenskap vid University of Calgary (Kanada) för att studera under A.I. Lvovsky. När han fortsatte sin doktorsexamen, Figueroa började bygga kvantminnen, atomfyllda glasceller som stimuleras av lasrar för att kontrollera atomtillstånden inom dem eller som han uttryckte det, "att få fotoner att prata och berätta sina hemligheter för atomer."

"Att bygga kvantminnen gav en aspekt av att kontrollera naturen på de mest grundläggande nivåerna - fotoner är ljus och partiklar som representerar materia, ", förklarade Figueroa. "Detta var kvantteknik på en mycket grundläggande nivå."

En av de mest karakteristiska aspekterna av att använda kvanthårdvara är behovet av att hålla den kall – väldigt kall; 2 K (-456°F) kallt. Kylan håller partiklarna så stationära som möjligt, gör det möjligt att göra mätningar. Figueroa insåg att arbetet vid dessa superkalla temperaturer var en begränsning. När han frågade sin professor om ett kvantminne kunde fungera vid rumstemperatur, han fick höra:"Jag tror inte det, men bevisa att jag har fel." Det kommandot var drivkraften till att Figueroa tillbringade nästan tre år med att arbeta på olika prototyper tills han hjälpte till att utforma ett funktionsdugligt kvantminne vid rumstemperatur, som sedan har utökats till integrerade, bärbara minnen i "skokartongstorlek" som spelar en central roll i hur hans team bygger ett kvantnätverk.

"Stråla upp mig"

Som en grundläggande definition, ett kvantnätverk överför kvantdatabitar, eller qubits, över avstånd med hjälp av vanliga telekommunikationsfibrer. Dock, till skillnad från det vanliga utbytet av 0 och 1 bitar, denna dataöverföring är baserad på kvantmekanikens lagar. På subatomär (kvant)nivå, partiklar kan bete sig mycket annorlunda än de gör i tillstånd som vanligen förstås av klassisk fysik – till och med existera på två ställen samtidigt. Denna "kvantintrassling" där partiklar delar egenskaper trots att de separeras av avstånd är en elementär del av kvantnätverksexperimenten som pågår vid Brookhaven Lab, Stony Brook University, och (snart) Yale University.

"Partiklar i den kvantmekaniska intrasslade världen delar saker även om de är tusentals mil ifrån varandra, " sa Figueroa. "Om du har sett Star Trek, det är som när Kirk ringer in, 'Stråla upp mig.' Vi kan använda kvantintrassling för att teleportera information från ett område till ett annat med en hastighet som inte kan matchas i klassiska system."

För att testa denna ansträngning, Figueroa och andra laboratorieforskare använde initialt befintliga kommunikationsfiberlinjer, mäter ungefär två kilometer (km), eller lite mer än en mil, mellan byggnader på Brookhaven Lab-campus för att bygga ett litet kvantnätverk som delar förveckling. I synnerhet, detta pågående arbete samlar alla Figueroa forskningskopplingar. CSI hanterar kvantberäkningsaspekterna av nätverket, samt designar nätverk och länkar, medan Brookhavens Instrumentation-grupp tillhandahåller intrasslingsfotoner och annan experimentell infrastruktur och kapacitet. Vissa testbäddens detektionskomponenter har utvecklats på laboratoriets fysikavdelning. Figueroas laboratorium vid Stony Brook University tillhandahåller kvantminnet som bearbetar informationen. En direkt "tvilling" av det labbet byggs också i instrumentbyggnaden i Brookhaven. Målet är att ha ett fungerande kvantnät inom några år.

I ett annat kvantförtrasslingsexperiment, Figueroa och hans team kommer att "sända fotoner till fritt utrymme, " i grund och botten från ett teleskop till ett annat i dess direkta linje. Figueroa förklarar att detta pågående arbete kommer att vara en knutpunkt för att gå mot ett mer expansivt kvantnätverk.

"Om vi ​​kan visa att det fungerar på två experiment på över 20 km, vi kan lägga mer i kopplingar, " sa han. "Just nu, vi vill bygga ett nätverk mellan Brookhaven, Stony Brook, och sedan till Yale och skapa länkar från ett campus till ett annat tills vi aktivt delar fotoner mellan de tre campusen. Om fem år kanske, vi kan skala systemet vi använder och lägga fler kopplingar för att täcka staten New York, Connecticut, hela nordöstra regionen."

Figueroa krediterade också det nylanserade Northeast Quantum Systems-centret, känd som NEQsys, för att underlätta anslutningen till Yale University, noterar att Brookhaven Lab har tillhandahållit en regional koppling för forskare med gemensamma intressen inom kvantinformationsvetenskap (QIS) som annars kanske inte existerar.

"Kopplingen mellan Brookhaven och Stony Brook är ett slags naturligt äktenskap, " förklarade han. "Men, NEQsys ger en vacker koppling till forskning vid, till exempel, Yale och MIT som jag inte nödvändigtvis skulle ha interagerat med. Nu, med Yale, vi är uppkopplade och startar en expansion av vår forskning. Detta skulle inte vara möjligt utan NEQsys."

Varför nu? Varför inte?

Figueroa erkände serendipity i tidpunkten för dessa ansträngningar. Han har sett ett ökat intresse för kvantum från enheter som DOE och noterade att ledarskap vid Brookhaven Lab och Stony Brook University har erbjudit både faciliteter och möjligheter att lansera de grundläggande experiment som behövs för att förstärka QIS-forskning.

"Vi har stött på utmaningen:först, bygga kvantminne vid rumstemperatur. Nu, vi kan bygga det, " förklarade han. "Nu, vi har labb igång på olika platser för att lansera ett kvantnätverk. Dessa idéer går bara framåt när du är villig att lägga resurser på att lösa problemet. Tillvägagångssätten konvergerade verkligen vid Brookhaven. Kerstin [Kleese van Dam, CSI-direktör], Dimitri [Katramatos, CSI-forskare], Gabriella [Carini, Instrumentation, biträdande avdelningschef], och Andrei [Nomerotski, Fysiker], alla har stöttat, att få det vi behöver för att skapa denna kvantinfrastruktur."

Till största del, Figueroa är upprymd och imponerad över den nivå av engagemang han har sett från alla inblandade när experimenten växer. De tekniska stegen och skalningen kräver hjärnkraften hos ledande forskare, IT-ingenjörer, studenter, och mer. Figueroa tillade att den ökande uppmärksamheten på QIS också genererar ett ökat intresse bland studenter.

"De vet att inom kvantforskning, det händer saker som aldrig har gjorts, och de kan se hårdvaran, infrastruktur, och anslag som söker forskning. Det är väldigt kraftfullt, och förutsättningarna är rätta. För studenter, det är magiskt, " han sa.

Att träna nästa generation är en annan ingrediens i planen för att förstärka QIS, speciellt i New York. Enligt Figueroa, Stony Brook University kommer att börja erbjuda kurser hösten 2019 mot ett masterprogram med tonvikt på QIS. Kurserna kommer att erbjuda fördjupning i kvant för ingenjörer eller vetenskapsmän som han hoppas kommer att ge nystartade företag inom kvantteknologi. Genom att inkludera Brookhaven Lab som resurspartner, Figueroa föreställer sig "att bemyndiga ett Long-Island-centrerat kvantprogram."

Figueroa erkände lätt att det finns ett fullfjädrat tävlingslopp för att vara först i världen som är värd för ett skalbart kvantnätverk som delar förveckling. Redan, Kina har ett nästan 10-årigt försprång på sina kvantinvesteringar med Europa inte alltför långt efter. Fortfarande, med många utmaningar kvar att låsa upp ett fungerande kvantnätverk, Figueroa osar av optimism när han kikar på forskningslandskapet.

"Varför inte vara de som gör det?" han frågade. "Vi kan leda det här området. Det är rätt tid att få det gjort. Om vi ​​får det att hända, det skulle vara en huvudberättelse i The New York Times . Det skulle förändra spelet för samhället. Jag är pumpad över det. Vi kan få något vackert gjort."