Ogólnopolskie Czasopismo Techniczne
Pierwszy węzeł kwantowego internetu przyszłości
Na rozpoczÄ™cie MiÄ™dzynarodowego Roku Nauki Kwantowej i Technologii UNESCO 2025, Nadrenia PóÅ‚nocna-Westfalia tworzy pierwszy wÄ™zeÅ‚ kwantowego internetu przyszÅ‚oÅ›ci. ZespóÅ‚ z Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Laserowej ILT przywiózÅ‚ system opracowany w Delft w Holandii do Akwizgranu w poÅ‚owie stycznia, aby go tutaj przetestować, rozwinąć i ustanowić pierwsze połączenia regionalne z Jülich i Bonn. Projekt jest kamieniem milowym na drodze do „Kwantowego PaÅ„stwa Technologicznego Nadrenii PóÅ‚nocnej-Westfalii”.
TNO i Fraunhofer ILT zintensyfikowaÅ‚y Å›cisłą wspóÅ‚pracÄ™ w ramach finansowanego przez NRW projektu N-QUIK. Ich zoptymalizowany wÄ™zeÅ‚ sieciowy dla kwantowego internetu przyszÅ‚oÅ›ci posÅ‚uży jako pole testowe i wÄ™zeÅ‚ dla pierwszych „metropolitalnych sieci kwantowych” w Akwizgranie. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy / Ralf Baumgarten
Komputery kwantowe nie zastÄ…piÄ… konwencjonalnych komputerów w przewidywalnej przyszÅ‚oÅ›ci, ponieważ dzisiejsze platformy kwantowe sÄ… po prostu zbyt drogie w eksploatacji. Jednak miÄ™dzynarodowy zespóÅ‚ kierowany przez QuTech w Delft w Holandii napÄ™dza rozwój tak zwanych „metropolitalnych sieci kwantowych” – aby zapewnić wielu użytkownikom z przemysÅ‚u i nauki dostÄ™p do potężnych komputerów, połączyć ze sobÄ… różne platformy komputerów kwantowych lub uczynić splÄ…tane kubity użytecznymi do bezpiecznego szyfrowania poufnych danych. Ze wzglÄ™dów technicznych sieci te można na razie wdrożyć tylko lokalnie lub regionalnie, ale uważa siÄ™ je za jÄ…dra kwantowego Internetu przyszÅ‚oÅ›ci. W przypadku połączeÅ„ na duże odlegÅ‚oÅ›ci brakuje wzmacniaczy wzmacniajÄ…cych sygnaÅ‚y przesyÅ‚ane przez pojedyncze fotony bez przerywania splÄ…tania kwantowego. Fotonów nie można po prostu klonować, jak ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych sieci transmisyjnych, ze wzglÄ™du na prawa fizyki kwantowej.
Przełomowe badania na drodze do zastosowań
Niemniej jednak zespóÅ‚ badawczy kierowany przez Ronalda Hansona z QuTech – wspierany przez TU Delft i organizacjÄ™ badawczÄ… TNO – niedawno byÅ‚ w stanie zgÅ‚osić przeÅ‚om. Nie tylko połączyÅ‚ dwa komputery kwantowe w Delft i Hadze 25 km podziemnego Å›wiatÅ‚owodu, ale także byÅ‚ w stanie odtworzyć stan tak zwanego splÄ…tania kwantowego wzdÅ‚uż Å›wiatÅ‚owodu. TrochÄ™ tÅ‚a: splÄ…tane kwanty przyjmujÄ… wspólny stan kwantowy i utrzymujÄ… ten stan nawet w przypadku rozdzielenia przestrzennego; Albert Einstein mówiÅ‚ kiedyÅ› o „upiornym dziaÅ‚aniu na odlegÅ‚ość”. W Delft to splÄ…tanie jest generowane za pomocÄ… pojedynczych fotonów emitowanych przez kubity w wÄ™zÅ‚ach sieci. Kubity – znane jako diamentowe kubity spinowe – sÄ… spinem pojedynczych elektronów uwiÄ™zionych w sieci krystalicznej sztucznych diamentów. DokÅ‚adniej rzecz biorÄ…c, spin jest uwiÄ™ziony w specjalnie wprowadzonych wakacjach azotowych (centra NV), gdzie jest kontrolowany za pomocÄ… sygnaÅ‚ów mikrofalowych i pól magnetycznych i może być odczytany za pomocÄ… laserów. Odczyt skutkuje emisjÄ… fotonu o dÅ‚ugoÅ›ci fali 637 nm, który przenosi i może transportować informacje o stanie kubitu.
Do wspólnego demontażu wÄ™zÅ‚a w Delft zespoÅ‚y z TNO i Fraunhofer ILT potrzebowaÅ‚y szczegóÅ‚owej wiedzy na temat systemu – i pewnej rÄ™ki. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy / Ralf Baumgarten.
Jednym z kluczowych wyzwaÅ„ jest kierowanie fotonów emitowanych we wszystkich kierunkach do Å›wiatÅ‚owodu – wydajnie, z niskim poziomem szumów i poza zwykÅ‚ymi dÅ‚ugoÅ›ciami fal telekomunikacyjnych. Aby to osiÄ…gnąć, Fraunhofer ILT opracowaÅ‚ nie tylko praktycznie bezszumowy przetwornik czÄ™stotliwoÅ›ci kwantowej, ale także specjalnie uksztaÅ‚towany ukÅ‚ad optyczny zintegrowany bezpoÅ›rednio z chipem diamentowym. Ale byÅ‚o wiele innych wyzwaÅ„. Na przykÅ‚ad ustanowienie stabilnego połączenia, które musi zachować dokÅ‚adność rzÄ™du jednej dÅ‚ugoÅ›ci fali fotonów na 25-kilometrowym wÅ‚óknie szklanym; wedÅ‚ug QuTech jest to porównywalne z utrzymaniem staÅ‚ej odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzy ZiemiÄ… a Księżycem z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… do kilku milimetrów. Wszystko to można byÅ‚o rozwiÄ…zać tylko dziÄ™ki interakcji badaÅ„ i stosowanej technologii. Oprócz QuTech i Fraunhofer ILT w projekcie braÅ‚o udziaÅ‚ również kilka firm: OPNT B.V., holenderski specjalista ds. sprzÄ™tu do pomiaru czasu; Element6, dostawca syntetycznych diamentów i podÅ‚oży chipów kubitowych; oraz TOPTICA Photonics AG, specjalista ds. wysoce stabilnych laserów.
Pierwszy niemiecki węzeł internetu kwantowego zostanie zbudowany w Akwizgranie
Oprócz połączenia miÄ™dzy HagÄ… a Delft, wspóÅ‚praca wdrożyÅ‚a teraz kolejny wÄ™zeÅ‚ internetu kwantowego zoptymalizowany przy użyciu doÅ›wiadczenia zdobytego dziÄ™ki funduszom z projektu finansowania N-QUIK w Nadrenii PóÅ‚nocnej-Westfalii. MiÄ™dzy innymi TNO i Fraunhofer ILT zrewidowaÅ‚y projekt, tak aby poszczególne komponenty byÅ‚y teraz Å‚atwiejsze do wymiany podczas testów. Instytut z Akwizgranu wniósÅ‚ również różne zespoÅ‚y optyczne. Po montażu i fazie testowej, w tym charakteryzacji w Delft, nowy wÄ™zeÅ‚ trafiÅ‚ do Akwizgranu w poÅ‚owie stycznia. Naukowcy z Fraunhofer ILT byli już aktywnie zaangażowani w fazÄ™ montażu i testów i przeszkoleni przez swoich holenderskich kolegów w zakresie obsÅ‚ugi systemu w ramach holendersko-niemieckiego transferu technologii. Demontaż i montaż w Akwizgranie pogłębiÄ… ich wiedzÄ™ specjalistycznÄ…. Na tej podstawie niemieccy inżynierowie bÄ™dÄ… obsÅ‚ugiwać wÄ™zeÅ‚ sieciowy w Akwizgranie, systematycznie go rozwijać, optymalizować jego komponenty fotoniczne i stopniowo tworzyć pierwsze „sieci kwantowe na skalÄ™ metropolitalnÄ…” w Nadrenii PóÅ‚nocnej-Westfalii.
„Ten projekt daje nam praktyczne pole testowe, na którym chcemy rozwijać tÄ™ technologiÄ™ do dojrzaÅ‚oÅ›ci rynkowej wspólnie z partnerami z przemysÅ‚u i nauki” — wyjaÅ›nia dr Bernd Jungbluth, który kieruje strategicznym programem Quantum Technologies w Fraunhofer ILT. Jest również koordynatorem Quantum Roadmap NRW, który przywiÄ…zuje dużą wagÄ™ strategicznÄ… do rozwoju sieci kwantowych. WedÅ‚ug Jungblutha ich potencjaÅ‚ wykracza daleko poza szyfrowanie za pomocÄ… dystrybucji klucza kwantowego (QKD). „Przewidujemy, że sieci kwantowe na skalÄ™ metropolitalnÄ… umożliwiÄ… bardzo wydajne, bezpieczne połączenia miÄ™dzy komputerami kwantowymi i czujnikami kwantowymi” — mówi. Możliwe sÄ… aplikacje takie jak rozproszone obliczenia kwantowe, które łączÄ… kilka komputerów w celu utworzenia systemu kwantowego w celu szybkiego skalowania ich pojemnoÅ›ci i wydajnoÅ›ci. Sieci kwantowe sÄ… również ważne w kontekÅ›cie bezpiecznego zdalnego dostÄ™pu do komputerów kwantowych, które poczÄ…tkowo sÄ… dostÄ™pne tylko w ograniczonym zakresie. Oba mogÄ… wkrótce stać siÄ™ rzeczywistoÅ›ciÄ… w postaci połączenia wÄ™zÅ‚a Aachen z Helmholtz Quantum Center na kampusie kwantowym Jülich. WedÅ‚ug Jungblutha rozważane jest również połączenie z krÄ™gosÅ‚upem centralnej niemieckiej sieci testowej w Bonn.
KamieÅ„ milowy dla „Kwantowego Kraju Technologicznego Nadrenii-Westfalii”
Stopniowo kolejne oÅ›rodki badawcze i przemysÅ‚owe mogÅ‚yby zostać połączone w regionie, w caÅ‚ej Nadrenii PóÅ‚nocnej-Westfalii, a wraz z rozwojem technologii w caÅ‚ym kraju. Aby to osiÄ…gnąć, należy rozwiÄ…zać problem powtarzania spowodowany „twierdzeniem o braku klonowania”. Stoi on na drodze do rozlegÅ‚ego transgranicznego kwantowego Internetu przyszÅ‚oÅ›ci. „Chcemy promować tÄ™ przyszłą technologiÄ™ w Nadrenii-Westfalii i wykorzystać nasze zalety lokalizacyjne: w kraju zwiÄ…zkowym istnieje wybitna spoÅ‚eczność specjalistów z dziedziny nauki i przemysÅ‚u, szeroka baza potencjalnych użytkowników i niewielkie odlegÅ‚oÅ›ci do regionów metropolitalnych – i nie zapominajmy o naszym centralnym poÅ‚ożeniu w Europie. StÄ…d kwantowy Internet może siÄ™ rozwijać we wszystkich kierunkach”, wyjaÅ›nia Jungbluth.
Sercem wÄ™zÅ‚a kwantowego internetu jest hodowany diament ze specjalnie wprowadzonymi wakatami azotowymi (centra NV). Emituje on pojedyncze fotony, które mogÄ… przenosić i transportować informacje o stanie kubitu. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy / Ralf Baumgarten.
Jest to również jedno z gÅ‚ównych przesÅ‚aÅ„ obecnego dokumentu stanowiska opracowanego przez okoÅ‚o 200 ekspertów w ramach procesu planowania rozwoju NRW. Podczas licznych warsztatów i dyskusji w ciÄ…gu 2024 r. okreÅ›lili oni stanowisko, które opiera siÄ™ bezpoÅ›rednio na praktyce naukowej i przemysÅ‚owej i które zapewnia decydentom wykonalne wizje nowego Å›witu w „PaÅ„stwie Technologii Kwantowej NRW”. Jungbluth, który koordynowaÅ‚ proces, wyciÄ…ga optymistyczny wniosek: „Zgadzamy siÄ™, że wspólnie wykorzystywane infrastruktury i pola testowe sÄ… potrzebne, aby podmioty z przemysÅ‚u i badaÅ„ mogÅ‚y wspólnie rozwijać, testować i konkretnie stosować sprzÄ™t i oprogramowanie technologii kwantowej. DziÄ™ki centralnemu poÅ‚ożeniu w Europie i gÄ™sto zaludnionym regionom metropolitalnym, które znajdujÄ… siÄ™ blisko siebie, NRW ma wszystkie atuty”, wyjaÅ›nia. DziÄ™ki utworzeniu wÄ™zÅ‚a Internetu Kwantowego w Akwizgranie osiÄ…gniÄ™to już pierwszy kamieÅ„ milowy w zarysowanym planie rozwoju.
ŹródÅ‚o: Fraunhofer ILT