211service.com
Mot ett kvantinternet
Löftet om kvantdatorer är lockande stort: nästan omedelbar problemlösning och perfekt säker dataöverföring. För det mesta är dock småskaliga demonstrationer av kvantberäkningar fortfarande isolerade i laboratorier över hela världen. Nu, Prem Kumar , professor i elektroteknik och datavetenskap vid Northwestern University, har tagit ett steg mot att göra kvantberäkning mer praktisk. Kumar och hans team har visat att de kan bygga en kvantlogisk grind – en grundläggande komponent i en kvantdator – inom en optisk fiber. Grinden kan vara en del av en krets som förmedlar information säkert, över hundratals kilometer fiber, från en kvantdator till en annan. Det kan också användas på egen hand för att hitta lösningar på komplicerade matematiska problem.
Entangled Web: De optiska komponenterna på denna labbbänk, såsom speglar och filter, tillåter forskare i Prem Kumars labb vid Northwestern University att rikta och manipulera ljus. I Kumars senaste arbete har han skapat en kvantlogisk grind inom en optisk fiber; sådana grindar kan så småningom möjliggöra nätverk av kvantdatorer.
En logisk grind är en enhet som tar emot en ingång, utför en logisk operation på den och producerar en utgång. Den typ av grind som Kumar skapade, kallad en kontrollerad NOT-grind, har en klassisk datoranalog som vänder lite och registrerar en 1 till 0, och vice versa. Kvantlogikportar som Kumars har byggts tidigare, men de arbetade med laserstrålar som passerade genom luften, inte genom fiber. Den nya porten lägger grunden för experiment som visar förmågan hos kvantdatorer i fiber, säger Kumar. Det spännande här är att en ansökan är inom räckhåll, säger han. Inom nästa år planerar Kumar och hans team att testa porten i en specifik applikation: att genomföra en komplex auktion över ett säkert kvantnätverk.
Forskare vid IBM, MIT och många andra företag och universitet har arbetat med kvantdatorer sedan de först föreslogs på 1980-talet. En kvantdator är en enhet som bearbetar bitar av information genom att utnyttja de konstiga kvantmekaniska egenskaperna hos partiklar som elektroner och fotoner. En kvantdator är teoretiskt kapabel att bearbeta exponentiellt mer information än vad klassiska datorer kan. Enheten för information i en klassisk dator är biten, som representerar antingen en 1 eller en 0; men i en kvantdator är det qubit, som kan representera både en 1 och en 0 samtidigt. Eftersom qubits beräknar med flera värden samtidigt, fördubblas processorkraften hos en kvantdator med varje ytterligare qubit. Denna egenskap skulle göra det möjligt för en kvantdator med bara ett par hundra qubits att avsevärt överträffa dagens bästa superdatorer.
Kumars grupp gör qubits av fotoner som är intrasslade. Det betyder att deras fysiska egenskaper, såsom polarisation, är länkade på ett sådant sätt att om en foton antar ett visst fysiskt tillstånd, antar den matchande fotonen omedelbart ett motsvarande tillstånd. För några år sedan visade Kumar att optisk fiber i sig kunde få fotoner att trassla in sig, och att de skulle förbli intrasslade över en sträcka av 100 kilometer. Hans senaste arbete, beskrivet i Fysiska granskningsbrev , går ett steg längre och skapar en logisk grind som trasslar in fotonpar.
För att använda denna grind behöver Kumar fotoner som är identiska på alla sätt utom polarisation, eller orienteringen av deras elektromagnetiska fält. Dessa identiska fotoner skickas genom optisk fiber till själva grinden, en liten labyrint av enheter som dirigerar fotoner i olika riktningar beroende på på deras polarisering. Att passera genom labyrinten gör att vissa fotonpar trasslar in sig. Men inte alla fotoner tar sig genom porten; först när fotoner når detektorer i andra änden, och forskarna kan mäta om de är intrasslade eller inte, vet de att porten lyckades.
Det enda sättet att veta om porten fungerade eller inte är att vänta tills en samling fotoner har avfyrats mot den, säger Carl Williams , samordnare för kvantinformationsprogram vid National Institute of Standards and Technology. Oftast går grinden sönder, säger han. Det är en probabilistisk sak. Men när porten misslyckas bortser forskarna helt enkelt från de otvunna fotonerna.
Det fantastiska med det här arbetet, säger Williams, är att det är i fiber. Detta är en stor sak eftersom det kan leda till distribuerade nätverk. … Den uppenbara applikationen är för långdistanskvantkommunikation mellan två mindre kvantdatorer. En av de avgörande elementen i ett konventionellt optiskt nätverk är en enhet som kallas repeater, som förstärker signaler som har försämrats över avstånd. Williams säger att en kvantlogisk grind, som den som Kumar byggde, skulle kunna användas i en krets som förstärker en signal utan att förlora fotonernas intrassling.
Detta är ett viktigt steg mot att bygga ett kvantinternet, säger Seth Lloyd , professor i maskinteknik vid MIT och en ledande forskare inom kvantberäkning. Ett sådant nätverk skulle ha befogenheter som det vanliga internet inte har, säger han. I synnerhet skulle kommunikation över kvantinternet vara automatiskt säker.
Lloyd noterar att Kumars papper illustrerar hur en enkel kvantlogikoperation kan utföras med individuella fotoner. Det aktuella dokumentet representerar ett betydande framsteg inom tekniken för kvantberäkning och kvantnätverk, säger han.