Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Университета Стони-Брук и Сети наук энергетики (ESnet) Министерства энергетики США совместно проводят эксперимент, который ставит исследования квантовых сетей США на международную карту. Исследователи создали испытательный стенд для квантовой сети, который соединяет несколько зданий в кампусе Брукхейвенской лаборатории с использованием уникальных портативных источников квантовой запутанности и существующей оптоволоконной сети связи DOE ESnet — важный шаг в построении крупномасштабной квантовой сети, способной передавать информацию на большие расстояния.

«В квантовой механике физические свойства запутанных частиц остаются связанными, даже когда они разделены огромными расстояниями. Таким образом, когда измерения выполняются на одной стороне, это также влияет на другую», — сказал Керстин Клиз ван Дам, директор по вычислительной науке Brookhaven Lab. Инициатива (CSI). «На сегодняшний день эта работа была успешно продемонстрирована с запутанными фотонами, разделенными примерно на 11 миль. Это одна из крупнейших в мире сетей распределения квантового запутывания и самый длинный эксперимент по запутыванию в Соединенных Штатах».

Этот проект испытательного стенда с квантовыми сетями включает сотрудников CSI и Брукхейвенского отдела приборостроения и физического факультета, а также преподавателей и студентов из Университета Стони Брук. Проект также является частью Северо-Восточного Центра Квантовых Систем. Один из отличительных аспектов работы команды, который отличает ее от других квантовых сетей, работающих в Китае и Европе, которые давно привержены квантовой информатике, заключается в том, что источники запутанности являются портативными и могут быть легко установлены на стандартном компьютерном сервере центра обработки данных. стойки, которые подключаются к штатным оптоволоконным распределительным панелям.

Команда успешно установила портативный квантово-запутанный источник фотонов в серверной стойке, расположенной в Научно-вычислительном центре BNL, где расположен центральный сетевой центр лаборатории. Благодаря этой возможности подключения запутанные фотоны теперь могут быть распределены по каждому зданию в кампусе лаборатории с использованием существующей волоконной инфраструктуры Brookhaven и ESnet. Волокна ESnet были введены в пути между зданиями, чтобы обеспечить распределение и изучение запутывания на все более длинных расстояниях. Портативные источники запутанности также совместимы с существующими квантовыми запоминающими устройствами , заполненными атомами стеклянных ячеек, которые могут хранить квантовую информацию . Как правило, эти клетки можно поддерживать при сверхнизких температурах с помощью лазеров для контроля атомных состояний внутри них.

В работе, спонсируемой Программой инновационных исследований малого бизнеса DOE (SBIR), испытательный стенд Brookhaven-Stony Brook-ESnet оснащен портативными квантовыми устройствами памяти, которые могут работать при комнатной температуре. Такие квантовые воспоминания, разработанные для квантовых сетей в больших масштабах, были давним «любимым проектом» для Идена Фигероа, совместного назначенца с отделом CSI и приборостроения Брукхейвена и профессором Университета Стоуни-Брук, который возглавляет группу квантовых информационных технологий. Он является ведущим исследователем проекта по испытанию квантовых сетей.

«Цель демонстрации — объединить запутанность с совместимыми атомными квантовыми воспоминаниями», — сказал Фигероа. «Преимущество нашей квантовой памяти заключается в том, что она работает при комнатной температуре, а не требует холодного холода. Это делает естественным расширение теста до принципов квантовых повторителей, которые являются технологическим ключом для достижения квантовой связи на протяжении сотен километров».

Квантовые сети посылают световые импульсы (фотоны) через волокно, что требует периодического усиления света при его прохождении по линиям. Однако, в отличие от цифровых передач в сетях связи, квантовая запутанность ограничена декогеренцией , когда запутанные фотоны, например, возвращаются к классическим состояниям, потому что взаимодействия с окружающей средой приводят к тому, что они теряют способность оставаться запутанными. Это ограничивает передачу этих хрупких квантовых состояний на большие расстояния.

Жизнеспособные квантовые ретрансляторы позволят Фигероа и его команде расширить свои текущие эксперименты в рамках «локальных» квантовых сетей до распределенной или «глобальной» версии. В ожидании этого, команда строит необходимые оптические соединения, чтобы связать квантовую сеть Brookhaven Lab с сетями , которые уже существуют в университетах Stony Brook и Yale.

«Реализация квантовой сети с запутанными источниками фотонов, установленными в серверных стойках, портативными квантовыми запоминающими устройствами и работоспособными ретрансляторами, станет первой в мире настоящей квантовой коммуникационной сетью, которая действительно соединяет квантовые вычислительные процессоры и запоминающие устройства с помощью квантовой запутанности фотонов» , — сказал Фигероа. «Это ознаменует морские изменения в коммуникациях, которые могут повлиять на мир».