Fysiker demonstrerar det första kvantdatornätverket i storstadsområdet Boston

15 maj 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policy. Redaktörerna har lyft fram följande aspekter samtidigt som de har säkerställt innehållets tillförlitlighet:

• faktakollat
• granskat av kollegor i publikation
• pålitlig källa
• korrekturläst

av Harvard University

Det är en sak att drömma om ett kvantinternet som kan skicka hackskyddad information världen över via fotoner överlagrade i olika kvanttillstånd. Det är något helt annat att fysiskt visa att det är möjligt.

Det är exakt vad fysiker från Harvard har gjort, med hjälp av befintliga telekommunikationsfibrer i Bostonområdet, i en demonstration av världens längsta fiberavstånd mellan två kvantminnesnoder hittills. Tänk på det som ett enkelt, stängt internet mellan punkt A och B, som överför en signal som inte kodats av klassiska bitar som det befintliga internetet, utan av perfekt säkra, individuella ljuspartiklar.

Det banbrytande arbetet, titulerat 'Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network' och publicerat i Nature, leddes av Mikhail Lukin, Joshua och Beth Friedman universitetsprofessor på fysikavdelningen, i samarbete med Harvardprofessorerna Marko Lončar och Hongkun Park, som alla är medlemmar av Harvard Quantum Initiative, tillsammans med forskare vid Amazon Web Services.

Harvardteamet etablerade den praktiska grunden för det första kvantinternetet genom att sammanfläta två kvantminnesnoder separerade av en optisk fiberlänk som utplaceras över en sträcka på ungefär 22 miles genom Cambridge, Somerville, Watertown och Boston. De två noderna var belägna en våning ifrån varandra i Harvards laboratorium för integrerad vetenskap och teknik.

Kvantminne, analogt till klassiskt datorminne, är en viktig komponent i en sammankopplad kvantdatorframtid eftersom det möjliggör komplexa nätverksoperationer samt lagring och hämtning av information. Även om andra kvantnätverk har skapats tidigare, är Harvardteamets det längsta fibernätverket mellan enheter som kan lagra, bearbeta och flytta information.

Varje nod är en mycket liten kvantdator, gjord av en bit diamant som har ett defekt i sin atomstruktur som kallas för ett kisel-vakanscentrum. Inuti diamanten förstärker karvade strukturer mindre än hundradelen av en människohårs bredd interaktionen mellan kisel-vakanscentret och ljuset.

Kisel-vakanscentret innehåller två kubit, eller bitar av kvantinformation: en i form av en elektronspin för kommunikation, och den andra i en längre livsvaraktig kärnspin som används som ett minneskubit för att lagra sammanflätning (den kvantmekaniska egenskapen som gör det möjligt för information att vara perfekt korrelerad över vilket avstånd som helst).

Båda spins är helt kontrollerbara med mikrovågspulser. Dessa diamanter-enheter - bara några millimeter stora - är inkapslade inuti utspädningskylaggregat som når temperaturer på -459 ° F.

Användningen av kisel-vakanscentrum som kvantminnesenheter för enskilda fotoner har varit ett flerårigt forskningsprogram vid Harvard. Tekniken löser ett stort problem i det teoretiserade kvantinternetet: signalbortfall som inte kan ökas på traditionella sätt.

Ett kvantnätverk kan inte använda standard optiska fiber signal repeatrar eftersom kopiering av godtycklig kvantinformation är omöjligt - vilket gör informationen säker, men också mycket svår att transportera över långa sträckor.

Noder baserade på kisel-vakanscenter kan fånga, lagra och sammanfläta bitar av kvantinformation samtidigt som de korrigerar för signalbortfall. Efter att noderna kylts ner till nära absolut noll skickas ljus igenom den första noden och, på grund av kisel-vakanscentrets atomstruktur, blir det sammanflätat med den.

'Eftersom ljuset redan är sammanflätat med den första noden, kan det överföra detta till den andra noden,' förklarade försteförfattaren Can Knaut, en student på Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences vid Lukins lab. 'Vi kallar detta fotonmedierad sammanflätning.'

Under de senaste åren har forskarna hyrt optisk fiber från ett företag i Boston för att köra sina experiment, vilket passar deras demonstrationsnät på toppen av den befintliga fibern för att ange att det skulle vara möjligt att skapa ett kvantinternet med liknande nätverkslinjer.

'Att visa att kvantnätverkets noder kan vara sammanflätade i den verkliga miljön i ett mycket livligt stadsområde är ett viktigt steg mot praktisk nätverkskoppling mellan kvantdatorer,' sa Lukin.

Ett två-nods kvantnätverk är bara början. Forskarna arbetar flitigt för att utöka prestanda i sitt nätverk genom att lägga till noder och experimentera med fler nätverksprotokoll.

Journal information: Nature

Provided by Harvard University