El consorcio de investigación QUANT-NET está construyendo el primer banco de pruebas de redes cuánticas para aplicaciones de computación cuántica distribuida en EE. UU. Joe McEntee visita el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) en California para comprobar los avances en las tecnologías cuánticas habilitadoras
La Internet actual distribuye bits y bytes de información clásicos a través de distancias globales, incluso interestelares. La Internet cuántica del mañana, por otra parte, permitirá la conexión, manipulación y almacenamiento remotos de información cuántica (mediante la distribución del entrelazamiento cuántico utilizando fotones) a través de nodos cuánticos físicamente distantes dentro de redes ópticas metropolitanas, regionales y de larga distancia. Las oportunidades son convincentes y ya están vislumbradas para la ciencia, la seguridad nacional y la economía en general.
Al explotar los principios de la mecánica cuántica (superposición, entrelazamiento y el teorema de “no clonación”, por ejemplo), las redes cuánticas permitirán todo tipo de aplicaciones únicas que no son posibles con las tecnologías de redes clásicas. Piense en esquemas de comunicación con cifrado cuántico para el gobierno, las finanzas, la atención médica y el ejército; metrología y detección cuántica de ultra alta resolución para la investigación científica y la medicina; y, en última instancia, la implementación de recursos de computación cuántica a escala basados en la nube vinculados de forma segura a través de redes globales.
Sin embargo, en este momento las redes cuánticas todavía están en su infancia, con la comunidad de investigación, las grandes empresas tecnológicas (compañías como IBM, Amazon, Google y Microsoft) y una ola de empresas emergentes financiadas con capital de riesgo que siguen diversas vías de I+D hacia la funcionalidad práctica y implementación. Un caso de estudio a este respecto es QUANT-NET, una iniciativa de I+D de cinco años y 12.5 millones de dólares respaldada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en el marco del programa de Investigación en Computación Científica Avanzada, con el objetivo de construir una prueba de- Red cuántica principal probada para aplicaciones de computación cuántica distribuida.
Fuera del laboratorio, a la red
En conjunto, los cuatro socios de investigación del consorcio QUANT-NET: Berkeley Lab (Berkeley, CA); Universidad de California Berkeley (UC Berkeley, CA); Caltech (Pasadena, California); y la Universidad de Innsbruck (Austria) – buscan establecer una red de computación cuántica distribuida de tres nodos entre dos sitios (Berkeley Lab y UC Berkeley). De esta manera, cada uno de los nodos cuánticos se conectará a través de un esquema de comunicación de entrelazamiento cuántico a través de fibra de telecomunicaciones preinstalada, con toda la infraestructura del banco de pruebas administrada por una pila de software personalizada.
"Existen muchos desafíos complejos cuando se trata de aumentar el número de qubits en una sola computadora cuántica", dice Indermohan (Inder) Monga, investigador principal de QUANT-NET y director de la división de redes científicas del Laboratorio de Berkeley y director ejecutivo de Energía. Sciences Network (ESnet), la instalación para usuarios de la red de alto rendimiento del DOE (consulte “ESnet: creación de redes de ciencia a gran escala”). "Pero si se puede construir una computadora más grande a partir de una red de múltiples computadoras más pequeñas", añade, "¿podríamos tal vez acelerar el escalamiento de la capacidad de la computación cuántica (más qubits trabajando esencialmente en tándem) distribuyendo el entrelazamiento cuántico sobre una fibra?" infraestructura óptica? Ésa es la pregunta fundamental que intentamos responder dentro de QUANT-NET”.
ESnet: creación de redes científicas a gran escala en los EE. UU. y más allá
ESnet proporciona servicios y conexiones de red de gran ancho de banda a científicos multidisciplinarios en más de 50 sitios de investigación del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), incluido todo el sistema del Laboratorio Nacional, sus recursos de supercomputación asociados e instalaciones a gran escala, además de peering con Más de 270 redes comerciales y de investigación en todo el mundo.
ESnet, financiado por la Oficina de Ciencias del DOE, es una instalación para usuarios del DOE designada, administrada y operada por la división de redes científicas del Berkeley Lab. "Consideramos que ESnet es el sistema de circulación de datos para el DOE", afirma Inder Monga, director ejecutivo de ESnet y jefe del proyecto QUANT-NET. "Nuestros equipos trabajan en estrecha colaboración tanto con los investigadores del DOE como con la comunidad de redes internacionales, así como con la industria, para desarrollar software de código abierto y proyectos técnicos colaborativos que acelerarán la ciencia a gran escala".
El posicionamiento de QUANT-NET dentro del ámbito de Monga no es casualidad, ya que aprovecha el conocimiento de dominio acumulado y la experiencia de los equipos de ingeniería de ESnet en arquitecturas de red, sistemas y software. "El objetivo de QUANT-NET es una red cuántica 24 horas al día, 7 días a la semana que intercambie entrelazamientos y esté mediada por un plano de control automatizado", señala Monga. "No vamos a llegar allí en el alcance de este proyecto limitado de I+D, pero hacia ahí es hacia donde nos dirigimos desde una perspectiva de visión".
Otra motivación para Monga y sus colegas es sacar las tecnologías de comunicación cuántica “del laboratorio” a sistemas de redes del mundo real que exploten las fibras de telecomunicaciones ya desplegadas en el suelo. "Los sistemas de redes cuánticas actuales siguen siendo esencialmente experimentos de física del tamaño de una habitación o de mesa, ajustados y gestionados por estudiantes de posgrado", dice Monga.
Como tal, una de las principales tareas del equipo QUANT-NET es demostrar tecnologías implementables en el campo que, con el tiempo, podrán funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana sin la intervención del operador. "Lo que queremos hacer es construir la pila de software para orquestar y gestionar todas las tecnologías de capa física", añade Monga. "O al menos tener una idea de cómo debería ser esa pila de software en el futuro para automatizar la generación, distribución y almacenamiento de entrelazados de alta velocidad y alta fidelidad de una manera eficiente, confiable, escalable y rentable".
Habilitando tecnologías cuánticas
Si el objetivo final de QUANT-NET es probar en carretera las tecnologías de hardware y software candidatas para la Internet cuántica, es instructivo desde una perspectiva física desempaquetar los bloques de construcción cuánticos centrales que conforman los nodos de red del banco de pruebas, es decir, los iones atrapados. procesadores de computación cuántica; sistemas cuánticos de conversión de frecuencia; y fuentes de silicio de fotón único basadas en centros de color.
Con respecto a la infraestructura de redes, ya ha habido avances significativos en el diseño y la implementación del banco de pruebas. La infraestructura del banco de pruebas QUANT-NET está completa, incluida la construcción de fibra (5 km de extensión) entre los nodos cuánticos más el equipamiento de un centro de redes cuánticas dedicado en el Laboratorio de Berkeley. También están en marcha los diseños iniciales para la arquitectura de la red cuántica y la pila de software.
La sala de máquinas del proyecto QUANT-NET es el procesador de computación cuántica de iones atrapados, que se basa en la integración de una cavidad óptica de alta finura con una novedosa trampa para Ca basada en un chip.+ qubits de iones. Estos qubits de iones atrapados se conectarán a través de un canal cuántico dedicado a través del banco de pruebas de la red, creando a su vez un entrelazamiento de larga distancia entre nodos de computación cuántica distribuida.
"Demostrar el entrelazamiento es clave, ya que proporciona un vínculo entre los registros cuánticos remotos que pueden usarse para teletransportar información cuántica entre diferentes procesadores o para ejecutar lógica condicional entre ellos", dice Hartmut Häffner, investigador principal del proyecto QUANT-NET. con Monga, y cuyo laboratorio de física en el campus de UC Berkeley es el otro nodo del banco de pruebas. Igualmente importante es el hecho de que la potencia de cálculo de una computadora cuántica distribuida aumenta significativamente con la cantidad de qubits que se pueden interconectar en ella.
Sin embargo, entrelazar dos trampas de iones remotas a lo largo de la red no es nada sencillo. Primero, el giro de cada ion debe entrelazarse con la polarización de un fotón emitido desde su respectiva trampa (ver “Ingeniería y explotación del entrelazamiento en el banco de pruebas QUANT-NET”). El entrelazamiento ion-fotón de alta velocidad y alta fidelidad en cada caso se basa en fotones únicos del infrarrojo cercano emitidos a una longitud de onda de 854 nm. Estos fotones se convierten a la banda C de telecomunicaciones de 1550 nm para minimizar las pérdidas de fibra óptica que afectan la transmisión posterior de fotones entre los nodos cuánticos de UC Berkeley y Berkeley Lab. En conjunto, los iones y fotones atrapados representan una situación beneficiosa para todos: los primeros proporcionan los qubits de computación estacionarios; estos últimos sirven como “qubits de comunicación voladores” para conectar los nodos cuánticos distribuidos.
A un nivel más granular, el módulo de conversión de frecuencia cuántica explota tecnologías fotónicas integradas establecidas y el llamado "proceso de diferencia de frecuencia". De esta manera, un fotón de entrada de 854 nm (emitido por un Ca+ ion) se mezcla coherentemente con un fuerte campo de bombeo a 1900 nm en un medio no lineal, produciendo un fotón de telecomunicaciones de salida a 1550 nm. "Lo más importante es que esta técnica preserva los estados cuánticos de los fotones de entrada y, al mismo tiempo, proporciona altas eficiencias de conversión y un funcionamiento silencioso para nuestros experimentos planificados", dice Häffner.
Una vez establecido el entrelazamiento entre dos nodos, el equipo de QUANT-NET puede demostrar el componente fundamental de la computación cuántica distribuida, en el que la información cuántica en un nodo controla la lógica en el otro. En particular, el entrelazamiento y la comunicación clásica se utilizan para teletransportar información cuántica desde el nodo de control al nodo objetivo, donde el proceso, como una puerta lógica NO cuántica controlada y no local, puede ejecutarse solo con operaciones locales.
Ingeniería y explotación del entrelazamiento cuántico en el banco de pruebas QUANT-NET
El establecimiento del entrelazamiento ion-ion entre dos nodos cuánticos de iones atrapados se basa en la preparación sincrónica del entrelazamiento ion-fotón (en los grados de libertad de espín y polarización) dentro de cada nodo de la red (1). El ciclo comienza con la inicialización del estado iónico, después de lo cual un pulso láser desencadena la emisión de un fotón del infrarrojo cercano en la cavidad óptica de cada trampa de iones. Después de la conversión de frecuencia cuántica (2), los fotones de telecomunicaciones resultantes (entrelazados con los iones respectivos) se envían hacia un nodo llamado Medición del estado de Bell (BSM) en un intento por crear un entrelazamiento ion-ion mediante mediciones de los estados de polarización del dos fotones (3). El proceso se repite (4) hasta que ambos fotones se transmiten con éxito a través de sus respectivas fibras y se registran conjuntamente en el nodo BSM, anunciando la creación del entrelazamiento ion-ion (5). Este entrelazamiento se almacena hasta que la red cuántica solicita usarlo como recurso, por ejemplo, para transmitir información cuántica mediante teletransportación.
Por último, se está llevando a cabo un paquete de trabajo paralelo para explorar el impacto de la “heterogeneidad” dentro de la red cuántica, reconociendo que es probable que se implementen múltiples tecnologías cuánticas (y por lo tanto interactúen entre sí) en las etapas formativas de la Internet cuántica. En este sentido, los dispositivos de estado sólido que dependen de centros de color de silicio (defectos de red que generan emisión óptica en longitudes de onda de telecomunicaciones de alrededor de 1300 nm) se benefician de la escalabilidad inherente de las técnicas de nanofabricación de silicio, al tiempo que emiten fotones individuales con un alto nivel de indistinguibilidad (coherencia). ) requerido para el entrelazamiento cuántico.
"Como primer paso en esta dirección", añade Häffner, "planeamos demostrar la teletransportación del estado cuántico desde un único fotón emitido desde un centro de color de silicio a un Ca+ qubit al aliviar el problema del desajuste espectral entre estos dos sistemas cuánticos”.
La hoja de ruta de QUANT-NET
A medida que QUANT-NET se acerca a su punto medio, el objetivo de Monga, Häffner y sus colegas es caracterizar el rendimiento de los componentes discretos del banco de pruebas de forma independiente, antes de integrar y ajustar estos elementos en un banco de pruebas de investigación operativa. "Teniendo en cuenta los principios del sistema de red, nos centraremos también en la automatización de los distintos elementos de un banco de pruebas de red cuántica que normalmente podría ajustarse o calibrarse manualmente en un entorno de laboratorio", afirma Monga.
También es crucial alinear las prioridades de I+D de QUANT-NET con otras iniciativas de redes cuánticas en todo el mundo, aunque probablemente la norma serán enfoques diferentes, y quizás incompatibles, dada la naturaleza exploratoria de este esfuerzo de investigación colectivo. "Necesitamos que florezcan muchas flores por ahora", señala Monga, "para que podamos centrarnos en las tecnologías de comunicación cuántica más prometedoras y en el software y las arquitecturas de control de red asociadas".
A más largo plazo, Monga quiere asegurar financiación adicional del DOE, de modo que el banco de pruebas QUANT-NET pueda escalar en términos de alcance y complejidad. "Esperamos que nuestro enfoque de banco de pruebas permita una integración más sencilla de tecnologías cuánticas prometedoras de otros equipos de investigación y de la industria", concluye. "Esto, a su vez, proporcionará un ciclo rápido de prototipo, prueba e integración para respaldar la innovación... y contribuirá a una comprensión acelerada de cómo construir una Internet cuántica escalable que coexista con la Internet clásica".
Seguí leyendo
- Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
- PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
- PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
- PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
- PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
- Fuente: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/
