Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Även om kvantdatorer representerar en revolution inom beräkning, kan de inte kommunicera med varandra på det sätt som vanliga datorer kan – över internet. Om kvantdatorer kunde anslutas via ett kvantnätverk skulle de kunna underlätta perfekt säker kommunikation mellan fler än två parter eller kombinera datorkraft för att lösa mycket svårare problem än en kvantdator skulle kunna göra ensam.
I en inbjuden session vid American Physical Society's March Meeting, tog två Chicago Quantum Exchange-fysiker olika tillvägagångssätt för att ta itu med ett hinder som är centralt för implementeringen av storskaliga markbaserade kvantnätverk:avståndet mellan noderna begränsas av hur långt en kvantsignal kan resa genom optisk fiber.
En lösning för att både förstärka och förhindra dataförlust
Liang Jiang, professor vid University of Chicago, fokuserade på den mest eftersträvade lösningen:en kvantrepeater. Kvantrepeterare skulle placeras mellan noder i ett nätverk för att regenerera kvantsignalen så att den kunde resa längre sträckor. Ingen har ännu visat en framgångsrik kvantrepeater, även om "det finns betydande framsteg i den här riktningen", enligt Jiang.
Förutom att regenerera signalen kan kvantrepeaters också förhindra dataförlust över långa avstånd genom felkorrigering. Felkorrigeringskoder är vanliga i klassiska nätverk, som Bluetooth och WiFi, där de styr de fel som naturligt inträffar i data när en signal överför den från en enhet till en annan.
Men kvantsystem är extremt utsatta för fel på grund av den känsliga naturen hos deras kvanttillstånd, så felkorrigering är ett stort och viktigt studieområde inom kvantteknologin.
"Det finns två viktiga frågor att ställa, ur ett teoriperspektiv," sa Jiang. "För det första, vad är den maximala mängden kvantinformation som kan sändas över en bullrig fiberkanal? För det andra, anta att vi känner till den gränsen. Kan vi uppnå den med bra kvantfelkorrigerande koddesign?"
Förutom strategier för kvantfelskorrigering i kvantrepeterare, såväl som deras förutspådda effektivitet, delade Jiang en annan tillämpning av kvantnätverk:kvantdatacenter (QDCs), där användare på ett kvantnätverk kan komma åt en klassisk databas för kvantändamål. datoranvändning. Enheten som krävs för att hämta klassiska data från en databas som kvantbitar, kallad ett kvantminne för random access (QRAM), skulle sannolikt vara extremt dyrt, men Jiang ser QDCs som en lösning.
"Vi kanske vill använda QRAM som en kvantserver och ansluta till användare via ett kvantnätverk," sa Jiang. "Alla enskilda användare kan sedan fråga databasen via kvantnätverket utan att behöva ha ett QRAM på sin sida. Detta kan dela på kostnaden för en så dyr enhet."
Ta in kvantnätverk i luften och utanför
För Paul Kwiat, Bardeen professor i fysik vid University of Illinois Urbana-Champaign, kan en lösning på problemet med fiberoptisk signalförlust vara att ta kvantnätverket från marken och upp i luften, via drönare eller till och med ut i rymden, med satelliter.
"För tillfället har vi i stort sett bara lokala fibernät, med mycket få undantag," sa Kwiat. "Och jag har den här visionen om vad vi skulle vilja flytta till - en situation som är mycket mer heterogen, där vi har kopplingar mellan alla möjliga plattformar... genom att använda satelliter, ansluta till luftburna fordon, drönare, lastbilar eller båtar." Han noterade att signalförlust är mycket långsammare genom ledigt utrymme än genom optiska fibrer, vilket innebär att en kvantsignal kan överföras en längre sträcka.
Det finns många fördelar med ett sådant "mobilt" kvantnätverk, där noderna är lätta att flytta om. Vissa är vetenskapliga, som att utföra storskalig kvantavkänning eller studera kvantfenomen i olika tröghetsramar för att testa sambandet mellan kvantmekanik och relativitetsteori. Vissa är mer praktiska:att använda luftburna fordon som noder för kvantkommunikation där fiberanslutningar inte är ett alternativ, till exempel på örlogsfartyg på havet.
Ett kvantnätverk mellan satelliter i rymden skulle möjliggöra ännu fler tester av grundläggande kvantmekanik, med större avstånd och hastigheter än vad som är möjligt på jorden, och över regioner med föränderliga gravitationseffekter.
Det senaste året hjälpte NASA till att finansiera ett USA-ledt projekt kallat Space Entanglement and Annealing Quantum Experiment (SEAQUE), som kommer att testa kvantkommunikationsteknik i omloppsbana. Det kommer att vara den första kvantinformationsvetenskapliga nyttolasten på en kommersiell rymdstationsmodul:Nanoracks Bishop Airlock, som är kopplad till den internationella rymdstationen. Det kommer också att vara den första "integrerade optiska vågledarkällan", som är mer effektiv än tidigare liknande kvantexperiment, eftersom det inte finns några rörliga delar som kräver regelbunden omjustering. SEAQUE är för närvarande planerad att lanseras våren 2023.
Kwiats grupp, som leder projektet, ansvarar för den optiska nyttolasten och styrkortet för SEAQUE; andra element tillhandahålls av institutioner i USA, Kanada och Singapore.
"Jag är upphetsad eftersom det är ett trenationellt kvantexperiment i rymden," sa Kwiat. — Det har varit väldigt roligt. + Utforska vidare
