Informacje prasowe

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 posłuĹźy 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, poniewaĹź 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 uĹźytkownikom z przemysłu i nauki dostęp do potężnych komputerów, połączyć ze sobą róĹźne platformy komputerów kwantowych lub uczynić splątane kubity uĹźytecznymi do bezpiecznego szyfrowania poufnych danych. Ze względów technicznych sieci te moĹźna na razie wdroĹźyć tylko lokalnie lub regionalnie, ale uwaĹźa się je za jądra kwantowego Internetu przyszłości. W przypadku połączeń na duĹźe odległości brakuje wzmacniaczy wzmacniających sygnały przesyłane przez pojedyncze fotony bez przerywania splątania kwantowego. Fotonów nie moĹźna 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 takĹźe był w stanie odtworzyć stan tak zwanego splątania kwantowego wzdłuĹź 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 moĹźe być odczytany za pomocą laserów. Odczyt skutkuje emisją fotonu o długości fali 637 nm, który przenosi i moĹźe transportować informacje o stanie kubitu.

Do wspólnego demontaĹźu 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 takĹźe 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 moĹźna było rozwiązać tylko dzięki interakcji badań i stosowanej technologii. Oprócz QuTech i Fraunhofer ILT w projekcie brało udział równieĹź kilka firm: OPNT B.V., holenderski specjalista ds. sprzętu do pomiaru czasu; Element6, dostawca syntetycznych diamentów i podłoĹźy 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 wdroĹźyła teraz kolejny węzeł internetu kwantowego zoptymalizowany przy uĹźyciu 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 równieĹź róĹźne zespoły optyczne. Po montaĹźu i fazie testowej, w tym charakteryzacji w Delft, nowy węzeł trafił do Akwizgranu w połowie stycznia. Naukowcy z Fraunhofer ILT byli juĹź aktywnie zaangaĹźowani w fazę montaĹźu i testów i przeszkoleni przez swoich holenderskich kolegów w zakresie obsługi systemu w ramach holendersko-niemieckiego transferu technologii. DemontaĹź i montaĹź w Akwizgranie pogłębią ich wiedzę specjalistyczną. Na tej podstawie niemieccy inĹźynierowie 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 równieĹź 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, Ĺźe sieci kwantowe na skalę metropolitalną umoĹźliwią bardzo wydajne, bezpieczne połączenia między komputerami kwantowymi i czujnikami kwantowymi” — mówi. MoĹźliwe 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 równieĹź waĹźne 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 rozwaĹźane jest równieĹź 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, naleĹźy 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 uĹźytkowników i niewielkie odległości do regionów metropolitalnych – i nie zapominajmy o naszym centralnym połoĹźeniu w Europie. Stąd kwantowy Internet moĹźe 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 równieĹź 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, Ĺźe 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 połoĹźeniu 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 juĹź pierwszy kamień milowy w zarysowanym planie rozwoju.

Ĺšródło: Fraunhofer ILT