Ett team av forskare från QuTech i Nederländerna rapporterar realiseringen av det första multi-nod kvantnätverket, ansluter tre kvantprocessorer. Dessutom, de uppnådde en proof-of-princip demonstration av viktiga kvantnätverksprotokoll. Deras resultat markerar en viktig milstolpe mot det framtida kvantinternet och har nu publicerats i Vetenskap .

Kraften med internet är att det gör att två datorer på jorden kan anslutas. I dag, forskare i många labb runt om i världen arbetar mot de första versionerna av ett kvantinternet – ett nätverk som kan ansluta två valfria kvantenheter, som kvantdatorer eller sensorer, över stora avstånd. Medan dagens internet distribuerar information i bitar som kan vara antingen 0 eller 1, ett framtida kvantinternet kommer att använda kvantbitar som kan vara 0 och 1 samtidigt.

"Ett kvantinternet kommer att öppna upp en rad nya applikationer, från unhackable kommunikation och molnberäkning med fullständig användarintegritet till högprecision tidshållning, säger Matteo Pompili, Ph.D. student och en medlem av forskargruppen. "Och precis som med internet för 40 år sedan, det finns förmodligen många applikationer som vi inte kan förutse just nu."

Mot allestädes närvarande anslutning

De första stegen mot ett kvantinternet togs under det senaste decenniet genom att länka två kvantenheter som delade en direkt fysisk länk. Dock, att kunna förmedla kvantinformation genom mellanliggande noder (analogt med routrar i det klassiska internet) är avgörande för att skapa ett skalbart kvantnätverk. Dessutom, många lovande kvantinternetapplikationer förlitar sig på intrasslade kvantbitar fördelade mellan flera noder. Entanglement är ett fenomen som observeras på kvantskala, i grunden förbinder partiklar på små och även på stora avstånd. Det ger kvantdatorer deras enorma beräkningskraft och det är den grundläggande resursen för att dela kvantinformation över det framtida kvantinternet. Genom att förverkliga sitt kvantnätverk i labbet, ett team av forskare vid QuTech – ett samarbete mellan Delft University of Technology och TNO – är de första som har kopplat ihop två kvantprocessorer genom en mellanliggande nod och som har etablerat en delad förveckling mellan flera fristående kvantprocessorer.

Drift av kvantnätet

Det rudimentära kvantnätverket består av tre kvantnoder, på något avstånd inom samma byggnad. För att få dessa noder att fungera som ett verkligt nätverk, forskarna var tvungna att uppfinna en ny arkitektur som möjliggör skalning bortom en enda länk. Den mellersta noden (kallad Bob) har en fysisk anslutning till båda yttre noderna (kallas Alice och Charlie), vilket gör att intrasslingslänkar med var och en av dessa noder kan upprättas. Bob är utrustad med en extra kvantbit som kan användas som minne, tillåter att en tidigare genererad kvantlänk lagras medan en ny länk upprättas. Efter att ha etablerat kvantlänkarna Alice-Bob och Bob-Charlie, en uppsättning kvantoperationer hos Bob omvandlar dessa länkar till en kvantlänk Alice-Charlie. Alternativt genom att utföra en annan uppsättning kvantoperationer på Bob, intrassling mellan alla tre noderna etableras.

Klar för efterföljande användning

En viktig egenskap hos nätverket är att det tillkännager det framgångsrika slutförandet av dessa (iboende probabilistiska) protokoll med en "flagga"-signal. Sådan förebådande är avgörande för skalbarhet, som i ett framtida kvantinternet kommer många av sådana protokoll att behöva sammanfogas. "När väl etablerat, vi kunde bevara de resulterande intrasslade tillstånden, skydda dem från buller, säger Sophie Hermans, en annan medlem i laget. "Det betyder att, i princip, vi kan använda dessa tillstånd för kvantnyckelfördelning, en kvantberäkning eller något annat efterföljande kvantprotokoll."

Quantum internet demonstrator

Detta första entanglement-baserade kvantnätverk ger forskarna en unik testbädd för att utveckla och testa kvantinternethårdvara, programvara och protokoll. "Det framtida kvantinternet kommer att bestå av otaliga kvantenheter och mellannoder, säger Ronald Hanson, som ledde forskargruppen. "Kollegor på QuTech tittar redan på framtida kompatibilitet med befintlig datainfrastruktur." Tids nog, den nuvarande proof-of-principe-metoden kommer att testas utanför labbet på befintlig telekomfiber – på QuTechs Quantum internet Demonstrator, varav den första storstadsförbindelsen är planerad att vara klar 2022.

Lager på högre nivå

I labbet, forskarna kommer att fokusera på att lägga till fler kvantbitar till deras trenodsnätverk och på att lägga till högre nivåer av mjukvara och hårdvara. Pompili:"När alla kontroll- och gränssnittslager på hög nivå för att köra nätverket har utvecklats, vem som helst kommer att kunna skriva och köra en nätverksapplikation utan att behöva förstå hur lasrar och kryostater fungerar. Det är slutmålet."