La collaborazione quantistica mostra a Chicago i primi passi verso reti quantistiche funzionali a lunga distanza su fibre ottiche di telecomunicazione distribuite, aprendo le porte al calcolo quantistico scalabile.

Il mondo attende la tecnologia quantistica. Ci si aspetta che l'informatica quantistica risolva problemi complessi che l'informatica attuale o classica non può. E il networking quantistico è essenziale per realizzare il pieno potenziale dell'informatica quantistica, consentendo innovazioni nella nostra comprensione della natura, nonché applicazioni che migliorano la vita di tutti i giorni.

Ma trasformarlo in realtà richiede lo sviluppo di computer quantistici precisi e reti quantistiche affidabili che sfruttino le attuali tecnologie informatiche e le infrastrutture esistenti.

Recentemente, come una sorta di prova del potenziale e un primo passo verso le reti quantistiche funzionali, un team di ricercatori con l'Illinois-Express Quantum Network (IEQNET) ha implementato con successo una rete quantistica a lunga distanza tra due laboratori del Dipartimento dell'Energia (DOE) degli Stati Uniti utilizzando fibra ottica locale.

L'esperimento ha segnato la prima volta che i fotoni con codifica quantistica, la particella attraverso la quale vengono fornite le informazioni quantistiche, e i segnali classici sono stati forniti contemporaneamente su una distanza su scala metropolitana con un livello di sincronizzazione senza precedenti.

La collaborazione IEQNET include i laboratori Fermi National Accelerator e Argonne National del DOE, Northwestern University e Caltech. Il loro successo deriva, in parte, dal fatto che i suoi membri comprendono l'ampiezza delle architetture informatiche, da quelle classiche e quantistiche a quelle ibride.

"Avere due laboratori nazionali a 50 chilometri di distanza, che lavorano su reti quantistiche con questa gamma condivisa di capacità e competenze tecniche, non è una cosa banale", ha affermato Panagiotis Spentzouris, capo del Quantum Science Program al Fermilab e ricercatore capo sul progetto. "Serve una squadra diversificata per affrontare questo problema molto difficile e complesso."

E per quella squadra, la sincronizzazione si è rivelata la bestia da domare. Insieme, hanno dimostrato che è possibile che i segnali quantistici e classici coesistano sulla stessa fibra di rete e raggiungano la sincronizzazione, sia a distanze su scala metropolitana che in condizioni del mondo reale.

Le reti informatiche classiche, sottolineano i ricercatori, sono abbastanza complesse. L'introduzione della sfida del networking quantistico nel mix cambia notevolmente il gioco.

Quando i computer classici devono eseguire operazioni e funzioni sincronizzate, come quelle richieste per la sicurezza e l'accelerazione del calcolo, si affidano a qualcosa chiamato Network Time Protocol (NTP). Questo protocollo distribuisce un segnale di clock sulla stessa rete che trasporta le informazioni, con una precisione un milione di volte più veloce di un battito di ciglia.

Con l'informatica quantistica, la precisione richiesta è ancora maggiore. Immagina che il classico NTP sia un corridore olimpico; l'orologio per l'informatica quantistica è The Flash, il super veloce supereroe di fumetti e film.

Per assicurarsi che ottengano coppie di fotoni che sono entangled, la capacità di influenzarsi a vicenda a distanza, i ricercatori devono generare un gran numero di fotoni con codifica quantistica.

Sapere quali coppie sono intrecciate è dove entra in gioco la sincronicità. Il team ha utilizzato segnali di temporizzazione simili per sincronizzare gli orologi in ogni destinazione, o nodo, attraverso la rete Fermilab-Argonne.

L'elettronica di precisione viene utilizzata per regolare questo segnale di temporizzazione in base a fattori noti, come distanza e velocità, in questo caso i fotoni viaggiano sempre alla velocità della luce, nonché per interferenze generate dall'ambiente, come variazioni di temperatura o vibrazioni, nella fibra ottica.

Poiché avevano solo due fili di fibra tra i due laboratori, i ricercatori hanno dovuto inviare l'orologio sulla stessa fibra che trasportava i fotoni entangled. Il modo per separare l'orologio dal segnale quantistico consiste nell'utilizzare lunghezze d'onda diverse, ma ciò comporta una sfida a sé stante.

"La scelta di lunghezze d'onda appropriate per i segnali di sincronizzazione quantistica e classica è molto importante per ridurre al minimo le interferenze che influenzeranno le informazioni quantistiche", ha affermato Rajkumar Kettimuthu, uno scienziato informatico Argonne e membro del team del progetto. "Un'analogia potrebbe essere che la fibra è una strada e le lunghezze d'onda sono corsie. Il fotone è un ciclista e l'orologio è un camion. Se non stiamo attenti, il camion può attraversare la pista ciclabile. Quindi, abbiamo eseguito un un gran numero di esperimenti per assicurarsi che il camion rimanesse nella sua corsia."

Alla fine, i due sono stati assegnati e controllati correttamente e il segnale di temporizzazione ei fotoni sono stati distribuiti dalle sorgenti del Fermilab. Quando i fotoni sono arrivati ​​​​in ciascuna posizione, le misurazioni sono state eseguite e registrate utilizzando i rivelatori di fotoni singoli a nanofili superconduttori di Argonne.

"Abbiamo mostrato livelli record di sincronizzazione utilizzando una tecnologia prontamente disponibile che si basa su segnali a radiofrequenza codificati sulla luce", ha affermato Raju Valivarthi, ricercatore Caltech e membro del team IEQNET. "Abbiamo costruito e testato il sistema al Caltech e gli esperimenti IEQNET ne dimostrano la prontezza e le capacità in una rete in fibra ottica del mondo reale che collega due importanti laboratori nazionali."

La rete è stata sincronizzata in modo così accurato da registrare solo una differenza di tempo di 5 picosecondi negli orologi in ciascuna posizione; un picosecondo è un trilionesimo di secondo.

Tale precisione consentirà agli scienziati di identificare e manipolare accuratamente coppie di fotoni entangled per supportare le operazioni di rete quantistica su distanze metropolitane in condizioni del mondo reale. Basandosi su questo risultato, il team IEQNET si sta preparando per eseguire esperimenti per dimostrare lo scambio di entanglement. Questo processo consente l'entanglement tra fotoni di diverse coppie entangled, creando così canali di comunicazione quantistica più lunghi.

"Questa è la prima dimostrazione in condizioni reali dell'utilizzo di una vera fibra ottica per ottenere questo tipo di accuratezza di sincronizzazione superiore e la capacità di coesistere con le informazioni quantistiche", ha affermato Spentzouris. "Questa performance record è un passo essenziale nel percorso verso la costruzione di reti quantistiche multinodo pratiche". + Esplora ulteriormente

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