Natuurkundigen demonstreren het eerste quantum computernetwerk in grootstedelijk gebied in Boston

15 mei 2024

Dit artikel is volgens het redactionele proces en beleid van Science X beoordeeld. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt bij het waarborgen van de geloofwaardigheid van de inhoud:

• gecontroleerde feiten
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• gecorrigeerd

door de Harvard University

Er zit een groot verschil tussen het bedenken van een kwantuminternet dat hackerbestendige informatie via fotonen in verschillende kwantumtoestanden rond de wereld zou kunnen verzenden en het fysiek aantonen dat dit mogelijk is.

Dat is precies wat natuurkundigen van Harvard hebben gedaan, met bestaande telecommunicatievezels in de regio Boston, in een demonstratie van de langste vezelafstand tussen twee kwantumgeheugenknopen tot nu toe. Denk aan een simpel, gesloten internet tussen punt A en B, dat een signaal draagt dat niet gecodeerd is door klassieke bits zoals het bestaande internet, maar door perfect beveiligde, individuele lichtdeeltjes.

Het baanbrekende werk, getiteld 'Verstrengeling van nanofotonische kwantumgeheugenknooppunten in een telecomnetwerk' en gepubliceerd in Nature, werd geleid door Mikhail Lukin, de Joshua en Beth Friedman University Professor in de afdeling Natuurkunde, in samenwerking met Harvard professoren Marko Lončar en Hongkun Park, die allemaal leden zijn van het Harvard Quantum Initiative, naast onderzoekers bij Amazon Web Services.

Het Harvard-team legde de praktische basis voor het eerste kwantuminternet door twee kwantumgeheugenknooppunten te verstrengelen die gescheiden waren door een optische vezelverbinding die over een ruwweg 35 kilometer lange loop door Cambridge, Somerville, Watertown en Boston was uitgerold. Beide knooppunten waren een verdieping van elkaar verwijderd in Harvard's Laboratory for Integrated Science and Engineering.

Kwantumgeheugen, dat analoog is aan klassiek computergeheugen, is een belangrijk onderdeel van een onderling verbonden kwantumcomputing toekomst omdat het complexe netwerkhandelingen en informatieopslag en -ophaal mogelijk maakt. Hoewel er in het verleden andere kwantumnetwerken zijn gecreëerd, is die van het Harvard-team het langste vezelnetwerk tussen apparaten die informatie kunnen opslaan, verwerken en verplaatsen.

Elk knooppunt is een zeer kleine kwantumcomputer, gemaakt van een plakje diamant dat een defect heeft in zijn atomaire structuur, een zogenaamd silicium-vacaturecentrum. Binnen de diamant versterken structuren die kleiner zijn dan een honderdste van de breedte van een mensenhaar de interactie tussen het silicium-vacaturecentrum en licht.

Het silicium-vacaturecentrum bevat twee qubits, of bits van kwantuminformatie: een in de vorm van een elektronenspin gebruikt voor communicatie, en de ander in een langere levensduur nucleaire spin gebruikt als een geheugen qubit om verstrengeling op te slaan (de kwantummechanische eigenschap die informatie perfect gecorreleerd maakt over elke afstand).

Beide spins zijn volledig bestuurbaar met microgolfpulsen. Deze diamantapparaten - slechts enkele millimeters vierkant - zijn ondergebracht in verdunningskoelunits die temperaturen van -273°C bereiken.

Het gebruik van silicium-vacaturecentra als kwantumgeheugenapparaten voor enkele fotonen is een meerjarig onderzoeksprogramma aan Harvard. De technologie lost een groot probleem op in het theoretische kwantuminternet: signaalverlies dat op traditionele manieren niet kan worden versterkt.

Een kwantumnetwerk kan geen standaard optische vezelsignaalrepeaters gebruiken omdat het kopiëren van willekeurige kwantuminformatie onmogelijk is - waardoor de informatie veilig is, maar ook erg moeilijk te transporteren over lange afstanden.

Knooppunten van het netwerk op basis van siliciumvacaturecentra kunnen bits van kwantuminformatie vangen, opslaan en verstrengelen en tegelijkertijd het signaalverlies corrigeren. Nadat de knooppunten zijn afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, wordt er licht door het eerste knooppunt gestuurd en, door de atomaire structuur van het siliciumvacaturecentrum, verstrengelt het zich ermee.

'Omdat het licht al verstrengeld is met het eerste knooppunt, kan het deze verstrengeling overdragen aan het tweede knooppunt,' legde de eerste auteur Can Knaut uit, een student van de Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences in Lukin's lab. 'We noemen dit foton-gemedieerd verstrengeling.'

In de afgelopen jaren hebben de onderzoekers vezels van een bedrijf in Boston gehuurd om hun experimenten uit te voeren, en ze hebben hun demonstratienetwerk bovenop de bestaande vezels geplaatst om aan te geven dat de creatie van een kwantuminternet met soortgelijke netwerklijnen mogelijk zou zijn.

'Lat zien dat kwantumnetwerkknooppunten kunnen worden verstrengeld in de echte wereldomgeving van een zeer druk stedelijk gebied, is een belangrijke stap naar praktisch netwerken tussen kwamtumcomputers,' zei Lukin.

Een tweeknooppunt quantumnetwerk is slechts het begin. De onderzoekers werken ijverig aan het verbeteren van de prestaties van hun netwerk door het toevoegen van knooppunten en het experimenteren met meer netwerkprotocollen.

Journal information: Nature

Provided by Harvard University