Scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Stony Brook University, e l'Energy Sciences Network (ESnet) del DOE stanno collaborando a un esperimento che mette la ricerca sulle reti quantistiche degli Stati Uniti sulla mappa internazionale. I ricercatori hanno costruito un banco di prova della rete quantistica che collega diversi edifici nel campus del Brookhaven Lab utilizzando fonti di entanglement quantistico portatili uniche e una rete in fibra di comunicazione DOE ESnet esistente, un passo significativo nella costruzione di una rete quantistica su larga scala in grado di trasmettere informazioni su lunghe distanze.

"Nella meccanica quantistica, le proprietà fisiche delle particelle entangled rimangono associate, anche se separati da grandi distanze. Così, quando le misurazioni vengono eseguite su un lato, colpisce anche l'altro, " disse Kerstin Kleese van Dam, direttore della Computational Science Initiative (CSI) del Brookhaven Lab. "Ad oggi, questo lavoro è stato dimostrato con successo con fotoni entangled separati da circa 11 miglia. Questa è una delle più grandi reti di distribuzione di entanglement quantistico al mondo, e l'esperimento di entanglement a più lunga distanza negli Stati Uniti".

Questo progetto di testbed di rete quantistica include personale della CSI e della divisione Instrumentation e del dipartimento di fisica di Brookhaven, così come docenti e studenti della Stony Brook University. Il progetto fa anche parte del Northeast Quantum Systems Center. Un aspetto distinto del lavoro del team che lo distingue dalle altre reti quantistiche in esecuzione in Cina e in Europa, entrambe da tempo impegnate in attività di scienza dell'informazione quantistica, è che le fonti di entanglement sono portatili e possono essere facilmente montate in un server di computer di data center standard. rack collegati a normali pannelli di distribuzione in fibra.

Il team ha installato con successo una sorgente di fotoni con entanglement quantistico portatile in un rack di server ospitato all'interno del BNL Scientific Data and Computing Center, dove si trova l'hub di rete centrale del laboratorio. Con questa connettività, I fotoni entangled ora possono essere distribuiti a ogni edificio del campus del Lab utilizzando l'infrastruttura in fibra Brookhaven ed ESnet esistente. Le fibre di ESnet sono state introdotte nei percorsi tra gli edifici per consentire la distribuzione e lo studio dell'entanglement su distanze sempre più lunghe. Le sorgenti di entanglement portatili sono compatibili anche con le memorie quantistiche esistenti, celle di vetro riempite di atomi che possono immagazzinare informazioni quantistiche. Normalmente mantenuto a temperature super fredde, queste cellule possono essere stimolate usando i laser per controllare gli stati atomici al loro interno.

Nel lavoro sponsorizzato dal programma di ricerca sull'innovazione per le piccole imprese (SBIR) del DOE, il banco di prova Brookhaven-Stony Brook-ESnet è dotato di memorie quantistiche portatili che possono funzionare a temperatura ambiente. Tali memorie quantistiche, progettato per reti quantistiche su larga scala, sono stati un "progetto domestico" di lunga data per Eden Figueroa, un incaricato congiunto con la divisione CSI e strumentazione di Brookhaven e un professore della Stony Brook University che guida il suo gruppo di tecnologia dell'informazione quantistica. Ricopre il ruolo di investigatore capo del progetto testbed di rete quantistica.

"La dimostrazione mira a combinare l'entanglement con memorie quantistiche atomiche compatibili, " Figueroa ha detto. "Le nostre memorie quantistiche hanno il vantaggio di funzionare a temperatura ambiente piuttosto che richiedere un freddo subcongelante. Ciò rende naturale estendere il test ai principi dei ripetitori quantistici, che sono la chiave tecnologica per raggiungere la comunicazione quantistica su centinaia di chilometri."

Le reti quantistiche inviano impulsi luminosi (fotoni) attraverso la fibra, che richiede che la luce venga periodicamente amplificata mentre viaggia attraverso le linee. Però, a differenza delle trasmissioni digitali nelle reti di comunicazione, l'entanglement quantistico è limitato dalla decoerenza, dove fotoni entangled, Per esempio, tornare agli stati classici perché le interazioni con l'ambiente fanno perdere loro la capacità di rimanere impigliati. Ciò limita questi fragili stati quantistici dall'essere inviati su grandi distanze.

Ripetitori quantistici validi consentiranno a Figueroa e al suo team di ampliare i loro esperimenti in corso all'interno di reti quantistiche "locali" in un sistema distribuito, o "ampia area, " versione. In previsione di questo, il team sta costruendo le connessioni ottiche necessarie per collegare la rete quantistica di Brookhaven Lab a quelle già esistenti nelle università di Stony Brook e Yale.

"Realizzare la rete quantistica con sorgenti di fotoni entangled montate in rack di server, memorie quantistiche portatili, e ripetitori operabili segneranno la prima vera rete di comunicazione quantistica al mondo che collega veramente processori e memorie di calcolo quantistico utilizzando l'entanglement quantistico fotonico, " ha detto Figueroa. "Segnerà un cambiamento epocale nelle comunicazioni che può avere un impatto sul mondo".