Чтобы проверить синхронность двух часов — одних в Аргонне и одних в Фермилабе — ученые одновременно передали сигнал традиционных часов (синий) и квантовый сигнал (оранжевый) между двумя часами. Сигналы были отправлены по сети Illinois Express Quantum. Исследователи обнаружили, что эти два часа оставались синхронизированными во временном окне менее 5 пикосекунд, или 5 триллионных долей секунды. Авторы и права: Ли Турман, Аргоннская национальная лаборатория.

Квантовое сотрудничество демонстрирует в Чикаго, первые шаги к функционирующим квантовым сетям дальнего действия по развернутому телекоммуникационному оптоволоконному кабелю, открывая дверь для масштабируемых квантовых вычислений.

Мир ждет квантовая технология. Ожидается, что квантовые вычисления решат сложные проблемы, которые не могут решить современные или классические вычисления. Квантовые сети необходимы для реализации всего потенциала квантовых вычислений, позволяя совершать прорывы в нашем понимании природы, а также приложения, улучшающие повседневную жизнь.

Но для того, чтобы это стало реальностью, требуется разработка точных квантовых компьютеров и надежных квантовых сетей, использующих современные компьютерные технологии и существующую инфраструктуру.

Недавно, в качестве своего рода доказательства потенциала и первого шага к функциональным квантовым сетям, группа исследователей из Illinois-Express Quantum Network (IEQNET) успешно развернула квантовую сеть дальнего действия между двумя лабораториями Министерства энергетики США (DOE) с использованием местной оптоволоконной сети.

Эксперимент ознаменовал собой первый случай, когда квантово-кодированные фотоны — частицы, через которые доставляется квантовая информация — и классические сигналы были одновременно доставлены на расстояние мегаполиса с беспрецедентным уровнем синхронизации.

Сотрудничество IEQNET включает Национальный ускоритель Ферми Министерства энергетики и Аргоннскую национальную лабораторию, Северо-Западный университет и Калифорнийский технологический институт. Их успех частично обусловлен тем фактом, что его члены охватывают всю широту вычислительных архитектур, от классических и квантовых до гибридных.

«Иметь две национальные лаборатории, расположенные на расстоянии 50 километров друг от друга и работающие над квантовыми сетями с таким общим диапазоном технических возможностей и опыта, — нетривиальная задача», — сказал Панайотис Спенцурис, руководитель программы квантовой науки в Фермилабе и ведущий научный сотрудник лаборатории. проект. «Вам нужна разнообразная команда, чтобы решить эту очень сложную и сложную проблему».

И для этой команды синхронизация оказалась зверем, которого можно приручить. Вместе они показали, что квантовые и классические сигналы могут сосуществовать в одном и том же сетевом волокне и достигать синхронизации как на расстоянии мегаполиса, так и в реальных условиях.

Исследователи отмечают, что классические вычислительные сети достаточно сложны. Внедрение проблемы, связанной с квантовыми сетями, значительно меняет игру.

Когда классическим компьютерам необходимо выполнять синхронизированные операции и функции, например те, которые необходимы для обеспечения безопасности и ускорения вычислений, они полагаются на то, что называется протоколом сетевого времени (NTP). Этот протокол распределяет тактовый сигнал по той же сети, по которой передается информация, с точностью в миллион раз быстрее, чем мгновение ока.

Для квантовых вычислений требуется еще большая точность. Представьте, что классический НТП — это олимпийский бегун; Часы для квантовых вычислений — это Флэш, сверхбыстрый супергерой из комиксов и фильмов.

Чтобы гарантировать, что они получат запутанные пары фотонов — способность влиять друг на друга на расстоянии — исследователи должны генерировать квантово-кодированные фотоны в большом количестве.

Знание того, какие пары запутаны, — вот где возникает синхронность. Команда использовала аналогичные сигналы синхронизации для синхронизации часов в каждом пункте назначения или узле в сети Фермилаб-Аргонн.

Прецизионная электроника используется для настройки этого сигнала синхронизации на основе известных факторов, таких как расстояние и скорость (в данном случае фотоны всегда движутся со скоростью света), а также помех, создаваемых окружающей средой, таких как изменения температуры или вибрации в оптоволокне.

Поскольку между двумя лабораториями было всего две нити волокна, исследователям пришлось отправить часы по тому же волокну, по которому шли запутанные фотоны. Чтобы отделить часы от квантового сигнала, нужно использовать разные длины волн, но это сопряжено со своей проблемой.

«Выбор подходящих длин волн для сигналов квантовой и классической синхронизации очень важен для минимизации помех, которые повлияют на квантовую информацию», — сказал Раджкумар Кеттимуту, ученый-компьютерщик из Аргонны и член проектной группы. «Одна из аналогий может заключаться в том, что волокно — это дорога, а длины волн — полосы движения. Фотон — это велосипедист, а часы — грузовик. Если мы не будем осторожны, грузовик может выехать на велосипедную дорожку. Итак, мы выполнили большое количество экспериментов, чтобы убедиться, что грузовик остается на своей полосе».

В конце концов, эти двое были должным образом назначены и контролировались, а временной сигнал и фотоны были распределены из источников в Фермилабе. По мере того как фотоны прибывали в каждое место, проводились измерения и записывались с использованием детекторов одиночных фотонов Argonne из сверхпроводящих нанопроволок.

«Мы продемонстрировали рекордные уровни синхронизации, используя легкодоступную технологию, основанную на радиочастотных сигналах, закодированных в свет», — сказал Раджу Валиварти, исследователь из Калифорнийского технологического института и член команды IEQNET. «Мы построили и протестировали систему в Калифорнийском технологическом институте, и эксперименты IEQNET демонстрируют ее готовность и возможности в реальной волоконно-оптической сети, соединяющей две крупные национальные лаборатории».

Сеть была синхронизирована настолько точно, что зафиксировала разницу во времени всего в 5 пикосекунд на часах в каждом месте; одна пикосекунда равна одной триллионной доли секунды.

Такая точность позволит ученым точно идентифицировать и манипулировать запутанными парами фотонов для поддержки операций квантовой сети на больших расстояниях в реальных условиях . Опираясь на это достижение, команда IEQNET готовится провести эксперименты, чтобы продемонстрировать переключение запутывания. Этот процесс позволяет запутывать фотоны из разных запутанных пар, создавая тем самым более длинные каналы квантовой связи.

«Это первая демонстрация в реальных условиях использования настоящего оптического волокна для достижения такой превосходной точности синхронизации и способности сосуществовать с квантовой информацией », — сказал Спенцурис. «Эта рекордная производительность — важный шаг на пути к созданию практических многоузловых квантовых сетей».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org