Ogólnopolskie Czasopismo Techniczne
Pierwszy węzeł kwantowego internetu przyszłości
Na rozpoczęcie Międzynarodowego Roku Nauki Kwantowej i Technologii UNESCO 2025, Nadrenia Północna-Westfalia tworzy pierwszy węzeł kwantowego internetu przyszłości. Zespół z Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Laserowej ILT przywiózł system opracowany w Delft w Holandii do Akwizgranu w połowie stycznia, aby go tutaj przetestować, rozwinąć i ustanowić pierwsze połączenia regionalne z Jülich i Bonn. Projekt jest kamieniem milowym na drodze do „Kwantowego Państwa Technologicznego Nadrenii Północnej-Westfalii”.
TNO i Fraunhofer ILT zintensyfikowały ścisłą współpracę w ramach finansowanego przez NRW projektu N-QUIK. Ich zoptymalizowany węzeł sieciowy dla kwantowego internetu przyszłości posłuży jako pole testowe i węzeł dla pierwszych „metropolitalnych sieci kwantowych” w Akwizgranie. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy / Ralf Baumgarten
Komputery kwantowe nie zastąpią konwencjonalnych komputerów w przewidywalnej przyszłości, ponieważ dzisiejsze platformy kwantowe są po prostu zbyt drogie w eksploatacji. Jednak międzynarodowy zespół kierowany przez QuTech w Delft w Holandii napędza rozwój tak zwanych „metropolitalnych sieci kwantowych” – aby zapewnić wielu użytkownikom z przemysłu i nauki dostęp do potężnych komputerów, połączyć ze sobą różne platformy komputerów kwantowych lub uczynić splątane kubity użytecznymi do bezpiecznego szyfrowania poufnych danych. Ze względów technicznych sieci te można na razie wdrożyć tylko lokalnie lub regionalnie, ale uważa się je za jądra kwantowego Internetu przyszłości. W przypadku połączeń na duże odległości brakuje wzmacniaczy wzmacniających sygnały przesyłane przez pojedyncze fotony bez przerywania splątania kwantowego. Fotonów nie można po prostu klonować, jak ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych sieci transmisyjnych, ze względu na prawa fizyki kwantowej.
Przełomowe badania na drodze do zastosowań
Niemniej jednak zespół badawczy kierowany przez Ronalda Hansona z QuTech – wspierany przez TU Delft i organizację badawczą TNO – niedawno był w stanie zgłosić przełom. Nie tylko połączył dwa komputery kwantowe w Delft i Hadze 25 km podziemnego światłowodu, ale także był w stanie odtworzyć stan tak zwanego splątania kwantowego wzdłuż światłowodu. Trochę tła: splątane kwanty przyjmują wspólny stan kwantowy i utrzymują ten stan nawet w przypadku rozdzielenia przestrzennego; Albert Einstein mówił kiedyś o „upiornym działaniu na odległość”. W Delft to splątanie jest generowane za pomocą pojedynczych fotonów emitowanych przez kubity w węzłach sieci. Kubity – znane jako diamentowe kubity spinowe – są spinem pojedynczych elektronów uwięzionych w sieci krystalicznej sztucznych diamentów. Dokładniej rzecz biorąc, spin jest uwięziony w specjalnie wprowadzonych wakacjach azotowych (centra NV), gdzie jest kontrolowany za pomocą sygnałów mikrofalowych i pól magnetycznych i może być odczytany za pomocą laserów. Odczyt skutkuje emisją fotonu o długości fali 637 nm, który przenosi i może transportować informacje o stanie kubitu.
Do wspólnego demontażu węzła w Delft zespoły z TNO i Fraunhofer ILT potrzebowały szczegółowej wiedzy na temat systemu – i pewnej ręki. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy / Ralf Baumgarten.
Jednym z kluczowych wyzwań jest kierowanie fotonów emitowanych we wszystkich kierunkach do światłowodu – wydajnie, z niskim poziomem szumów i poza zwykłymi długościami fal telekomunikacyjnych. Aby to osiągnąć, Fraunhofer ILT opracował nie tylko praktycznie bezszumowy przetwornik częstotliwości kwantowej, ale także specjalnie ukształtowany układ optyczny zintegrowany bezpośrednio z chipem diamentowym. Ale było wiele innych wyzwań. Na przykład ustanowienie stabilnego połączenia, które musi zachować dokładność rzędu jednej długości fali fotonów na 25-kilometrowym włóknie szklanym; według QuTech jest to porównywalne z utrzymaniem stałej odległości między Ziemią a Księżycem z dokładnością do kilku milimetrów. Wszystko to można było rozwiązać tylko dzięki interakcji badań i stosowanej technologii. Oprócz QuTech i Fraunhofer ILT w projekcie brało udział również kilka firm: OPNT B.V., holenderski specjalista ds. sprzętu do pomiaru czasu; Element6, dostawca syntetycznych diamentów i podłoży chipów kubitowych; oraz TOPTICA Photonics AG, specjalista ds. wysoce stabilnych laserów.
Pierwszy niemiecki węzeł internetu kwantowego zostanie zbudowany w Akwizgranie
Oprócz połączenia między Hagą a Delft, współpraca wdrożyła teraz kolejny węzeł internetu kwantowego zoptymalizowany przy użyciu doświadczenia zdobytego dzięki funduszom z projektu finansowania N-QUIK w Nadrenii Północnej-Westfalii. Między innymi TNO i Fraunhofer ILT zrewidowały projekt, tak aby poszczególne komponenty były teraz łatwiejsze do wymiany podczas testów. Instytut z Akwizgranu wniósł również różne zespoły optyczne. Po montażu i fazie testowej, w tym charakteryzacji w Delft, nowy węzeł trafił do Akwizgranu w połowie stycznia. Naukowcy z Fraunhofer ILT byli już aktywnie zaangażowani w fazę montażu i testów i przeszkoleni przez swoich holenderskich kolegów w zakresie obsługi systemu w ramach holendersko-niemieckiego transferu technologii. Demontaż i montaż w Akwizgranie pogłębią ich wiedzę specjalistyczną. Na tej podstawie niemieccy inżynierowie będą obsługiwać węzeł sieciowy w Akwizgranie, systematycznie go rozwijać, optymalizować jego komponenty fotoniczne i stopniowo tworzyć pierwsze „sieci kwantowe na skalę metropolitalną” w Nadrenii Północnej-Westfalii.
„Ten projekt daje nam praktyczne pole testowe, na którym chcemy rozwijać tę technologię do dojrzałości rynkowej wspólnie z partnerami z przemysłu i nauki” — wyjaśnia dr Bernd Jungbluth, który kieruje strategicznym programem Quantum Technologies w Fraunhofer ILT. Jest również koordynatorem Quantum Roadmap NRW, który przywiązuje dużą wagę strategiczną do rozwoju sieci kwantowych. Według Jungblutha ich potencjał wykracza daleko poza szyfrowanie za pomocą dystrybucji klucza kwantowego (QKD). „Przewidujemy, że sieci kwantowe na skalę metropolitalną umożliwią bardzo wydajne, bezpieczne połączenia między komputerami kwantowymi i czujnikami kwantowymi” — mówi. Możliwe są aplikacje takie jak rozproszone obliczenia kwantowe, które łączą kilka komputerów w celu utworzenia systemu kwantowego w celu szybkiego skalowania ich pojemności i wydajności. Sieci kwantowe są również ważne w kontekście bezpiecznego zdalnego dostępu do komputerów kwantowych, które początkowo są dostępne tylko w ograniczonym zakresie. Oba mogą wkrótce stać się rzeczywistością w postaci połączenia węzła Aachen z Helmholtz Quantum Center na kampusie kwantowym Jülich. Według Jungblutha rozważane jest również połączenie z kręgosłupem centralnej niemieckiej sieci testowej w Bonn.
Kamień milowy dla „Kwantowego Kraju Technologicznego Nadrenii-Westfalii”
Stopniowo kolejne ośrodki badawcze i przemysłowe mogłyby zostać połączone w regionie, w całej Nadrenii Północnej-Westfalii, a wraz z rozwojem technologii w całym kraju. Aby to osiągnąć, należy rozwiązać problem powtarzania spowodowany „twierdzeniem o braku klonowania”. Stoi on na drodze do rozległego transgranicznego kwantowego Internetu przyszłości. „Chcemy promować tę przyszłą technologię w Nadrenii-Westfalii i wykorzystać nasze zalety lokalizacyjne: w kraju związkowym istnieje wybitna społeczność specjalistów z dziedziny nauki i przemysłu, szeroka baza potencjalnych użytkowników i niewielkie odległości do regionów metropolitalnych – i nie zapominajmy o naszym centralnym położeniu w Europie. Stąd kwantowy Internet może się rozwijać we wszystkich kierunkach”, wyjaśnia Jungbluth.
Sercem węzła kwantowego internetu jest hodowany diament ze specjalnie wprowadzonymi wakatami azotowymi (centra NV). Emituje on pojedyncze fotony, które mogą przenosić i transportować informacje o stanie kubitu. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy / Ralf Baumgarten.
Jest to również jedno z głównych przesłań obecnego dokumentu stanowiska opracowanego przez około 200 ekspertów w ramach procesu planowania rozwoju NRW. Podczas licznych warsztatów i dyskusji w ciągu 2024 r. określili oni stanowisko, które opiera się bezpośrednio na praktyce naukowej i przemysłowej i które zapewnia decydentom wykonalne wizje nowego świtu w „Państwie Technologii Kwantowej NRW”. Jungbluth, który koordynował proces, wyciąga optymistyczny wniosek: „Zgadzamy się, że wspólnie wykorzystywane infrastruktury i pola testowe są potrzebne, aby podmioty z przemysłu i badań mogły wspólnie rozwijać, testować i konkretnie stosować sprzęt i oprogramowanie technologii kwantowej. Dzięki centralnemu położeniu w Europie i gęsto zaludnionym regionom metropolitalnym, które znajdują się blisko siebie, NRW ma wszystkie atuty”, wyjaśnia. Dzięki utworzeniu węzła Internetu Kwantowego w Akwizgranie osiągnięto już pierwszy kamień milowy w zarysowanym planie rozwoju.
Źródło: Fraunhofer ILT