Interessenter fra myndigheter, nasjonale laboratorier, universiteter og industri kom sammen på DOEs Quantum Internet Blueprint Workshop for å identifisere forskningsmål og milepæler for å fremskynde utviklingen av vår nasjons kvanteinternett. Kreditt: Bilde med tillatelse fra Department of Energy's Office of Science
Dagens internett forbinder oss globalt. Den sender pakker med informasjon som bærer kommunikasjonen vår i klassiske signaler – sendt av lysutbrudd gjennom optiske fibre, elektrisk gjennom kobbertråd eller av mikrobølger for å opprette trådløse tilkoblinger. Den er rask og pålitelig. Så hvorfor utvikle et kvanteinternett som bruker enkeltfotoner – det minste mulige lyskvantet – for å bære informasjon i stedet?
Fordi det er nye vitenskapelige domener å utforske. Kvantefysikk styrer domenet til de helt små. Den lar oss forstå – og bruke til vår fordel – unike kvantefenomener som det ikke finnes noen klassisk motstykke til. Vi kan bruke kvantefysikkens prinsipper til å designe sensorer som gjør mer presise målinger, datamaskiner som simulerer mer komplekse fysiske prosesser, og kommunikasjonsnettverk som sikkert kobler sammen disse enhetene og skaper nye muligheter for vitenskapelig oppdagelse.
Kvantenettverk bruker kvanteegenskapene til fotoner for å kode informasjon. For eksempel er fotoner polarisert i én retning (for eksempel i retningen som ville tillate dem å passere gjennom polariserte solbriller) assosiert med verdien; en, fotoner polarisert i motsatt retning (slik at de ikke passerer gjennom solbrillene) er assosiert med verdien null. Forskere utvikler kvantekommunikasjonsprotokoller for å formalisere disse assosiasjonene, slik at kvantetilstanden til fotoner kan overføre informasjon fra sender til mottaker gjennom et kvantenettverk.
Kvantenettverk bruker unike kvantefenomener, som superposisjon, ikke-kloning og sammenfiltring som ikke er tilgjengelige for klassiske nettverk. Før fotonet måles, eksisterer det i en superposisjon av alle dets mulige kvantetilstander, hver med en tilsvarende sannsynlighet. Måling velger en av disse tilstandene. Faktisk kan fotonets kvantetilstand ikke måles uten å forårsake en forstyrrelse som forråder forsøket. En vilkårlig, ukjent kvantetilstand kan heller ikke kopieres – ingen kloning tillatt. Et riktig utformet og drevet kvantenettverk henter iboende sikkerhet fra denne oppførselen.
Men hvis fotonet ikke kan kopieres, hvordan kan kommunikasjonen forsterkes for å nå fjerntliggende mottakere? Det er her kvantefenomenet sammenfiltring kommer inn i bildet. Kvantetilstanden til hvert sammenfiltrede foton er korrelert med dets sammenfiltrede partnere, uavhengig av deres avstand fra hverandre. Kvantenettverksrepeatere utvikles som bruker sammenfiltring for å utvide rekkevidden av kvantenettverk.
Vil det fremvoksende kvanteinternettet gjøre dagens klassiske internett foreldet? Ikke i det hele tatt. Styrkene til kvantenettverk er komplementære til de til klassiske nettverk. Vi vil høste størst fordel i det lange løp ved å inkorporere både klassiske og kvantenettverk i et internett med muligheter som overgår det som er mulig med begge teknologiene alene.
DOE Office of Science: Bidrag til kvantenettverk
DOE Office of Science leverer vitenskapelige oppdagelser og viktige vitenskapelige verktøy som vil transformere vår forståelse av naturen og fremme energien, den økonomiske og nasjonale sikkerheten i USA. På DOE Quantum Internet Blueprint Workshop, satte deltakerne som et prioritert forskningsmål den akselererte utviklingen av byggesteinene til kvanteinternettet, inkludert kvantenettverksrepeatere som bruker sammenfiltring. Andre forskningsprioriteringer søker å integrere disse byggesteinene for å skape et pålitelig multi-hop-nettverk som kontrollerer ruten for flygende qubits og korrigerer for feil.
