Исследователи достигли вехи в развитии квантовых сетей в реальной среде

QLAN позволяет в реальном времени вносить изменения в информацию, передаваемую с географически изолированными системами в ORNL, с помощью запутанных фотонов, проходящих через оптическое волокно.

Квантовое оборудование в лаборатории Алисы, где хранятся источник фотонов и первый узел в сети команды. Предоставлено: Карлос Джонс / ORNL, Департамент энергетики США.

Эта сеть демонстрирует, как эксперты могут регулярно подключать квантовые компьютеры и датчики в практическом масштабе, тем самым реализуя весь потенциал этих технологий следующего поколения на пути к долгожданному квантовому Интернету. Результаты команды, опубликованные в PRX Quantum, отметьте кульминацию лет исследований в этой области.

В локальных сетях, соединяющих классические вычислительные устройства, нет ничего нового, и QLAN были успешно протестированы в настольных исследованиях. Квантовое распределение ключей до сих пор было наиболее распространенным примером квантовой связи в этой области, но эта процедура ограничена, поскольку она только устанавливает безопасность, а не запутанность между сайтами.

«Мы пытаемся заложить фундамент, на котором мы можем построить квантовый Интернет, понимая критически важные функции, такие как пропускная способность распределения запутанности», – сказал Николас Петерс, руководитель секции квантовой информатики в ORNL. «Наша цель – разработать фундаментальные инструменты и строительные блоки, необходимые для демонстрации приложений квантовых сетей, чтобы их можно было развернуть в реальных сетях для реализации квантовых преимуществ».

Когда два фотона – частицы света – спарены вместе или запутаны, они демонстрируют более сильные квантовые корреляции, чем те, которые возможны с помощью любого классического метода, независимо от физического расстояния между ними. Эти взаимодействия позволяют использовать противоречивые протоколы квантовой связи, которые могут быть достигнуты только с использованием квантовых ресурсов.

Один из таких протоколов, подготовка удаленного состояния, использует запутанность и классические коммуникации для кодирования информации путем измерения одной половины запутанной пары фотонов и эффективного преобразования другой половины в предпочтительное квантовое состояние. Петерс возглавил первую общую экспериментальную реализацию подготовки к дистанционному обучению в 2005 году, когда получил степень доктора физики. Команда применила эту технику ко всем парным каналам в QLAN – подвиг, которого раньше не делали в сети, – и продемонстрировала масштабируемость квантовой связи на основе запутывания.

Такой подход позволил команде связать вместе три удаленных узла, известных как «Алиса», «Боб» и «Чарли» – имена, обычно используемые для вымышленных персонажей, которые могут общаться посредством квантовых передач, – расположенных в трех разных исследовательских лабораториях в трех отдельных зданиях на Кампус ORNL. Из лаборатории, содержащей Алису и источник фотонов, фотоны передали запутанность Бобу и Чарли через существующую оптоволоконную инфраструктуру ORNL.

Квантовые сети несовместимы с усилителями и другими классическими средствами усиления сигнала, которые мешают квантовым корреляциям, разделяемым запутанными фотонами. Помня об этом потенциальном недостатке, команда внедрила гибкое выделение полосы пропускания сети, в котором используются переключатели, выбирающие длину волны, для выделения и перераспределения квантовых ресурсов пользователям сети без отключения QLAN. Этот метод обеспечивает тип встроенной отказоустойчивости, благодаря которой операторы сети могут реагировать на непредвиденное событие, такое как обрыв волокна, перенаправляя трафик в другие области, не нарушая скорость сети или не нарушая протоколы безопасности.

«Поскольку спрос в сети может меняться со временем или с различными конфигурациями, вы не хотите иметь систему с каналами с фиксированной длиной волны, которая всегда назначает определенным пользователям одни и те же части», – сказал Джозеф Люкенс, научный сотрудник Wigner и научный сотрудник компании. ORNL, а также эксперт по электротехнике команды. «Вместо этого вам нужна гибкость, обеспечивающая большую или меньшую пропускную способность для пользователей в сети в соответствии с их потребностями».

По сравнению со своими типичными классическими аналогами квантовые сети нуждаются в более точной синхронизации активности каждого узла. Чтобы удовлетворить это требование, исследователи использовали GPS, ту же универсальную и экономичную технологию, которая использует спутниковые данные для предоставления повседневных навигационных услуг. Используя антенну GPS, расположенную в лаборатории Боба, команда разделила сигнал с каждым узлом, чтобы гарантировать, что часы на основе GPS будут синхронизированы в течение нескольких наносекунд и что они не будут расходиться во время эксперимента.

Получив точные отметки времени прибытия запутанных фотонов, захваченных фотонными детекторами, команда отправила эти измерения из QLAN в классическую сеть, где они собрали высококачественные данные из всех трех лабораторий.

«Эта часть проекта стала сложным классическим сетевым экспериментом с очень жесткими допусками», – сказал Люкенс. «Измерение времени в классической сети редко требует такого уровня точности или такого большого внимания к деталям в отношении кодирования и синхронизации между различными лабораториями».

Без сигнала GPS демонстрация QLAN могла бы генерировать данные более низкого качества и снизить точность – математический показатель, связанный с производительностью квантовой сети, который измеряет расстояние между квантовыми состояниями.

Команда ожидает, что небольшие обновления QLAN, включая добавление дополнительных узлов и вложение переключателей с избирательной длиной волны вместе, сформируют квантовые версии взаимосвязанных сетей – буквальное определение Интернета.

«Интернет – это большая сеть, состоящая из множества более мелких сетей», – сказал Мунир Альшоукан, научный сотрудник ORNL, получивший ценный опыт в области компьютерных наук. «Следующим большим шагом на пути к развитию квантового Интернета является подключение QLAN к другим квантовым сетям».

Кроме того, выводы команды могут быть применены для улучшения других методов обнаружения, таких как те, которые используются для поиска доказательств неуловимой темной материи, невидимой субстанции, которая, как считается, является преобладающим источником материи во Вселенной.

«Представьте себе создание сети квантовых датчиков, способных видеть фундаментальные эффекты физики высоких энергий», – сказал Петерс. «Разрабатывая эту технологию, мы стремимся снизить чувствительность, необходимую для измерения этих явлений, чтобы помочь в продолжающемся поиске темной материи и других попытках лучше понять Вселенную».

Исследователи уже планируют свой следующий эксперимент, в котором основное внимание будет уделено внедрению еще более совершенных методов временной синхронизации для уменьшения количества случайных происшествий – источников шума в сети – и дальнейшего повышения качества обслуживания QLAN.