Ett team från US Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Stanford University och Purdue University utvecklade och demonstrerade en roman, fullt fungerande kvant lokalnätverk, eller QLAN, att möjliggöra realtidsjusteringar av information som delas med geografiskt isolerade system vid ORNL med hjälp av intrasslade fotoner som passerar genom optisk fiber.

Detta nätverk exemplifierar hur experter rutinmässigt kan ansluta kvantdatorer och sensorer i praktisk skala, och därmed förverkliga den fulla potentialen hos dessa nästa generations teknologier på vägen mot det efterlängtade kvantinternet. Lagets resultat, som publiceras i PRX Quantum , markera kulmen på år av relaterad forskning.

Lokala nätverk som ansluter klassiska beräkningsenheter är inget nytt, och QLAN har testats framgångsrikt i bordsskivor. Kvantnyckeldistribution har hittills varit det vanligaste exemplet på kvantkommunikation inom området, men detta förfarande är begränsat eftersom det bara skapar säkerhet, inte trassel, mellan webbplatser.

"Vi försöker lägga en grund på vilken vi kan bygga ett kvantinternet genom att förstå kritiska funktioner, såsom förträngningsdistributionsbandbredd, "sade Nicholas Peters, sektionschef för Quantum Information Science på ORNL. "Vårt mål är att utveckla de grundläggande verktygen och byggstenarna vi behöver för att visa kvantnätverksapplikationer så att de kan distribueras i riktiga nätverk för att förverkliga kvantfördelar."

När två fotoner - ljuspartiklar - paras ihop, eller intrasslad, de uppvisar kvantkorrelationer som är starkare än de som är möjliga med någon klassisk metod, oavsett det fysiska avståndet mellan dem. Dessa interaktioner möjliggör kontraintuitiva kvantkommunikationsprotokoll som bara kan uppnås med kvantresurser.

Ett sådant protokoll, fjärrförberedande tillstånd, utnyttjar intrassling och klassisk kommunikation för att koda information genom att mäta hälften av ett intrasslat fotonpar och effektivt omvandla den andra halvan till det föredragna kvanttillståndet. Peters ledde det första allmänna experimentella genomförandet av avlägsen statlig förberedelse 2005 medan han tog sin doktorsexamen i fysik. Teamet använde denna teknik för alla parade länkar i QLAN-en prestation som inte tidigare uppnåtts i ett nätverk-och visade skalbarheten hos intrasslingsbaserad kvantkommunikation.

Detta tillvägagångssätt gjorde att laget kunde länka ihop tre fjärranoder, känd som "Alice, "" Bob "och" Charlie " - namn som vanligtvis används för fiktiva karaktärer som kan kommunicera via kvantöverföringar - som finns i tre olika forskningslaboratorier i tre separata byggnader på ORNL:s campus. Från laboratoriet som innehåller Alice och fotonkällan, fotonerna distribuerade trassel till Bob och Charlie genom ORNL:s befintliga fiberoptiska infrastruktur.

Kvantnät är oförenliga med förstärkare och andra klassiska signalförstärkande resurser, som stör kvantkorrelationer som delas av intrasslade fotoner. Med denna potentiella nackdel i åtanke, teamet införlivade flexibel nätverksbandbredd, som använder våglängdsselektiva switchar för att allokera och omfördela kvantresurser till nätverksanvändare utan att koppla bort QLAN. Denna teknik ger en typ av inbyggd feltolerans genom vilken nätoperatörer kan svara på en oväntad händelse, såsom en trasig fiber, genom att omdirigera trafik till andra områden utan att störa nätverkets hastighet eller äventyra säkerhetsprotokoll.

"Eftersom efterfrågan i ett nätverk kan förändras över tid eller med olika konfigurationer, du vill inte ha ett system med fasta våglängdskanaler som alltid tilldelar vissa användare samma delar, "sa Joseph Lukens, en Wigner -stipendiat och forskare vid ORNL samt teamets elektrotekniska expert. "Istället, du vill att flexibiliteten ger mer eller mindre bandbredd till användare i nätverket efter deras behov. "

Jämfört med sina typiska klassiska motsvarigheter, kvantnätverk behöver tidpunkten för varje nodaktivitet för att synkroniseras mycket närmare. För att uppfylla detta krav, forskarna förlitade sig på GPS, samma mångsidiga och kostnadseffektiva teknik som använder satellitdata för att tillhandahålla vardagliga navigeringstjänster. Med hjälp av en GPS -antenn i Bobs laboratorium, laget delade signalen med varje nod för att säkerställa att de GPS-baserade klockorna synkroniserades inom några nanosekunder och att de inte skulle glida isär under experimentet.

Efter att ha fått exakta tidsstämplar för ankomsten av intrasslade fotoner fångade av fotondetektorer, laget skickade dessa mätningar från QLAN till ett klassiskt nätverk, där de sammanställde högkvalitativa data från alla tre laboratorierna.

"Denna del av projektet blev ett utmanande klassiskt nätverksexperiment med mycket snäva toleranser, "Lukens sa." Timing på ett klassiskt nätverk kräver sällan den nivån av precision eller så mycket uppmärksamhet på detaljer om kodning och synkronisering mellan de olika laboratorierna. "

Utan GPS -signalen, QLAN -demonstrationen skulle ha genererat data av lägre kvalitet och sänkt trohet, ett matematiskt mått kopplat till kvantnätverkets prestanda som mäter avståndet mellan kvanttillstånd.

Teamet räknar med att små uppgraderingar av QLAN, inklusive att lägga till fler noder och häckande våglängdsselektiva switchar tillsammans, skulle bilda kvantversioner av sammankopplade nätverk - den bokstavliga definitionen av internet.

"Internet är ett stort nätverk som består av många mindre nätverk, "sa Muneer Alshowkan, en postdoktor vid ORNL som tog med värdefull datavetenskaplig expertis till projektet. "Nästa stora steg mot utvecklingen av ett kvantinternet är att ansluta QLAN till andra kvantnätverk."

Dessutom, teamets resultat kan tillämpas för att förbättra andra detekteringstekniker, som de som används för att söka bevis på svårfångad mörk materia, den osynliga substansen som tros vara universums dominerande materialkälla.

"Tänk dig att bygga nätverk av kvantsensorer med förmågan att se grundläggande fysiken med hög energi, "Sa Peters." Genom att utveckla denna teknik, Vi strävar efter att sänka den känslighet som behövs för att mäta dessa fenomen för att hjälpa till i det pågående sökandet efter mörk materia och andra ansträngningar för att bättre förstå universum. "

Forskarna planerar redan sitt nästa experiment, som kommer att fokusera på att implementera ännu mer avancerade tidsynkroniseringsmetoder för att minska antalet oavsiktliga - bruskällor i nätverket - och ytterligare förbättra QLAN:s servicekvalitet.