Fizycy prezentują pierwszą sieć komputerów kwantowych w obszarze metropolitalnym w Bostonie

15 maja 2024

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące atrybuty, zapewniając wiarygodność treści:

• zweryfikowane informacje
• publikacja recenzowana
• zaufane źródło
• skorygowane

przez Uniwersytet Harvarda

Jedno to marzyć o kwantowym Internecie, który mógłby wysyłać informacje odporne na hakerów na całym świecie za pomocą fotonów nakładających się na różne stany kwantowe. Drugie to fizycznie pokazać, że jest to możliwe.

To właśnie zrobili fizycy z Harvardu, korzystając z istniejącej infrastruktury telekomunikacyjnej w Bostonie, w demonstracji najdłuższej na świecie odległości pomiędzy dwoma węzłami pamięci kwantowej. Można to postrzegać jako prosty, zamknięty internet między punktem A i B, przenoszący sygnał nie za pomocą klasycznych bitów, jak w przypadku istniejącego Internetu, ale pojedynczymi, doskonale bezpiecznymi cząstkami światła.

Pionierska praca, zatytułowana „Splątanie węzłów pamięci kwantowej nanofotoniki w sieci telekomunikacyjnej” i opublikowana w Nature, była prowadzona pod kierunkiem Michaiła Łukina, profesora uniwersyteckiego Joszuy i Beth Friedman w Wydziale Fizyki, we współpracy z profesorami Harvardu Marko Lončar i Hongkun Park, którzy są członkami Harvard Quantum Initiative, obok naukowców z Amazon Web Services.

Zespół z Harvardu stworzył praktyczne podstawy pierwszego internetu kwantowego, splatając dwa węzły pamięci kwantowej oddzielone światłowodowym łączem w zasięgu około 35 kilometrów przez Cambridge, Somerville, Watertown i Boston. Dwa węzły znajdowały się na różnych piętrach w Laboratorium Nauki i Techniki Integrowanej Uniwersytetu Harvarda.

Pamięć kwantowa, analogiczna do klasycznej pamięci komputerowej, jest ważnym elementem powiązanej przyszłości kwantowego przetwarzania informacji, ponieważ umożliwia skomplikowane operacje sieciowe oraz przechowywanie i pobieranie informacji. Choć w przeszłości tworzone były inne sieci kwantowe, żadna nie miała tak długiego połączenia między urządzeniami, które mogą przechowywać, przetwarzać i przesyłać informacje.

Każdy węzeł to bardzo mały komputer kwantowy, wykonany z cienkiego kawałka diamentu, który ma defekt w swojej strukturze atomowej zwany centrum próżni krzemowej. Wewnątrz diamentu wycięte są struktury mniejsze niż setna szerokości włosa człowieka, które zwiększają interakcję między centrum próżni krzemowej a światłem.

Centrum próżni krzemowej zawiera dwa kubity, czyli bity informacji kwantowej: jeden w postaci spinu elektronu używanego do komunikacji, a drugi w postaci spinu jądrowego o dłuższym czasie życia używanego jako kubit pamięci do przechowywania splątania (kwantowo-mechanicznej właściwości, która pozwala na doskonałe skorelowanie informacji na dowolną odległość).

Oba spiny są w pełni kontrolowane za pomocą impulsów mikrofalowych. Te diamentowe urządzenia - zaledwie kilka milimetrów kwadratowych - są umieszczone w jednostkach chłodzenia rozcieńczeniowego, które osiągają temperaturę -459°F.

Wykorzystanie centrów próżni krzemowej jako urządzeń pamięci kwantowej dla pojedynczych fotonów to wieloletni program badawczy na Harvardzie. Technologia ta rozwiązuje duży problem teoretycznego internetu kwantowego: utratę sygnału, której nie można poprawić w tradycyjny sposób.

Sieć kwantowa nie może korzystać ze standardowych regeneratorów sygnału światłowodowego, ponieważ kopiowanie dowolnej informacji kwantowej jest niemożliwe - co sprawia, że informacje są bezpieczne, ale również bardzo trudne do przesyłania na długie dystanse.

Węzły sieci oparte na centrach próżni krzemowej mogą przechwytywać, przechowywać i splatać bity informacji kwantowej, jednocześnie korygując utratę sygnału. Po schłodzeniu węzłów do temperatury bliskiej zera absolutnego, światło jest przesyłane przez pierwszy węzeł i, przez naturę atomicznej struktury centrum próżni krzemowej, staje się z nim splątane.

'Ponieważ światło jest już splątane z pierwszym węzłem, może przenieść to splątanie na drugi węzeł', wyjaśnił pierwszy autor, Can Knaut, student Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences w laboratorium Łukina. 'Nazywamy to splątaniem pośredniczonym przez fotony'.

Przez ostatnie kilka lat naukowcy wynajmowali światłowody od firmy w Bostonie do prowadzenia swoich eksperymentów, umieszczając swoją demonstracyjną sieć na istniejących światłowodach, aby pokazać, że stworzenie kwantowego internetu z podobnymi liniami sieciowymi byłoby możliwe.

'Pokazanie, że węzły sieci kwantowej mogą być splątane w rzeczywistym środowisku bardzo zatłoczonego obszaru miejskiego, to ważny krok ku praktycznej sieci między komputerami kwantowymi', powiedział Łukin.

Dwuwęzłowa sieć kwantowa to dopiero początek. Naukowcy pracują nad rozbudową swojej sieci poprzez dodawanie nowych węzłów i eksperymentowanie z kolejnymi protokołami sieciowymi.

Journal information: Nature

Provided by Harvard University