Kvantsamarbete visar i Chicagoland de första stegen mot funktionella långväga kvantnätverk över distribuerad telekomfiberoptik, vilket öppnar dörren till skalbar kvantberäkning.

Världen väntar på kvantteknologi. Quantum computing förväntas lösa komplexa problem som nuvarande eller klassiska datorer inte kan. Och kvantnätverk är avgörande för att realisera kvantberäkningens fulla potential, vilket möjliggör genombrott i vår förståelse av naturen, såväl som applikationer som förbättrar vardagen.

Men för att det ska bli verklighet krävs utveckling av exakta kvantdatorer och pålitliga kvantnätverk som utnyttjar nuvarande datorteknik och befintlig infrastruktur.

Nyligen, som ett slags bevis på potential och ett första steg mot funktionella kvantnätverk, har ett team av forskare med Illinois-Express Quantum Network (IEQNET) framgångsrikt distribuerat ett långväga kvantnätverk mellan två U.S. Department of Energy (DOE) laboratorier. med hjälp av lokal fiberoptik.

Experimentet markerade första gången som kvantkodade fotoner – partikeln genom vilken kvantinformation levereras – och klassiska signaler levererades samtidigt över ett avstånd i storstadsskala med en oöverträffad nivå av synkronisering.

IEQNET-samarbetet inkluderar DOE:s Fermi National Accelerator och Argonne National-laboratorier, Northwestern University och Caltech. Deras framgång kommer delvis från det faktum att dess medlemmar omfattar bredden av datorarkitekturer, från klassisk och kvant till hybrid.

"Att ha två nationella laboratorier som ligger 50 kilometer från varandra, som arbetar på kvantnätverk med denna delade bredd av teknisk kapacitet och expertis, är inte en trivial sak", säger Panagiotis Spenzouris, chef för Quantum Science Program vid Fermilab och ledande forskare på projekt. "Du behöver ett mångsidigt team för att attackera detta mycket svåra och komplexa problem."

Och för det laget visade synkronisering att odjuret kunde tämjas. Tillsammans visade de att det är möjligt för kvantsignaler och klassiska signaler att samexistera över samma nätverksfiber och uppnå synkronisering, både i storstadsskala avstånd och verkliga förhållanden.

Klassiska datanätverk, påpekar forskarna, är tillräckligt komplexa. Att introducera utmaningen som är kvantnätverk i mixen förändrar spelet avsevärt.

När klassiska datorer behöver utföra synkroniserade operationer och funktioner, som de som krävs för säkerhet och beräkningsacceleration, förlitar de sig på något som kallas Network Time Protocol (NTP). Detta protokoll distribuerar en klocksignal över samma nätverk som bär information, med en precision som är en miljon gånger snabbare än ett ögonblick.

Med kvantberäkningar är precisionen som krävs ännu större. Föreställ dig att den klassiska NTP är en olympisk löpare; klockan för kvantberäkning är The Flash, den supersnabba superhjälten från serietidningar och filmer.

För att säkerställa att de får par av fotoner som är intrasslade – förmågan att påverka varandra på avstånd – måste forskarna generera de kvantkodade fotonerna i stort antal.

Att veta vilka par som är intrasslade är där synkroniciteten kommer in. Teamet använde liknande timingsignaler för att synkronisera klockorna vid varje destination, eller nod, över Fermilab-Argonne-nätverket.

Precisionselektronik används för att justera denna tidssignal baserat på kända faktorer, som avstånd och hastighet - i det här fallet att fotoner alltid färdas med ljusets hastighet - samt för störningar som genereras av omgivningen, såsom temperaturförändringar eller vibrationer, i fiberoptiken.

Eftersom de bara hade två fibersträngar mellan de två labben, var forskarna tvungna att skicka klockan på samma fiber som bar de intrasslade fotonerna. Sättet att skilja klockan från kvantsignalen är att använda olika våglängder, men det kommer med sin egen utmaning.

"Att välja lämpliga våglängder för kvant- och klassiska synkroniseringssignaler är mycket viktigt för att minimera störningar som kommer att påverka kvantinformationen", säger Rajkumar Kettimuthu, en Argonne-datavetare och projektgruppmedlem. "En analogi kan vara att fibern är en väg och våglängder är körfält. Fotonen är en cyklist och klockan är en lastbil. Om vi ​​inte är försiktiga kan lastbilen passera in i cykelbanan. Så vi utförde en ett stort antal experiment för att säkerställa att lastbilen stannade i sin fil."

Till slut var de två korrekt tilldelade och kontrollerade, och timingsignalen och fotoner distribuerades från källor på Fermilab. När fotonerna anlände till varje plats utfördes och registrerades mätningar med Argonnes supraledande nanotrådsdetektorer för enkelfoton.

"Vi visade rekordnivåer av synkronisering med hjälp av lättillgänglig teknik som förlitar sig på radiofrekvenssignaler kodade på ljus", säger Raju Valivarthi, en Caltech-forskare och IEQNET-teammedlem. "Vi byggde och testade systemet på Caltech, och IEQNET-experimenten visar dess beredskap och kapacitet i ett verkligt fiberoptiskt nätverk som förbinder två stora nationella labb."

Nätverket synkroniserades så noggrant att det bara registrerade en tidsskillnad på 5 pikosekunder i klockorna på varje plats; en pikosekund är en biljondels sekund.

Sådan precision kommer att tillåta forskare att exakt identifiera och manipulera intrasslade fotonpar för att stödja kvantnätverksoperationer över storstadsavstånd under verkliga förhållanden. Med utgångspunkt i denna prestation förbereder sig IEQNET-teamet för att utföra experiment för att demonstrera förvecklingsbyte. Denna process möjliggör intrassling mellan fotoner från olika intrasslade par, vilket skapar längre kvantkommunikationskanaler.

"Detta är den första demonstrationen under verkliga förhållanden att använda riktig optisk fiber för att uppnå denna typ av överlägsen synkroniseringsnoggrannhet och förmågan att samexistera med kvantinformation," sa Spentzouris. "Denna rekordprestanda är ett viktigt steg på vägen mot att bygga praktiska multinode kvantnätverk." + Utforska vidare

Ett stort steg mot kvantinternet realiserats med Bell State Analyser