Cattura il Qubit Volante

Di John Russel

11 luglio 2023

La rete quantistica, come l’informatica quantistica, ha una promessa allettante. Invece di utilizzare bit classici, le reti quantistiche funzionano con bit quantistici (qubit) e dovrebbero fornire reti completamente sicure, svolgere un ruolo chiave nel collegare i chip quantistici per trasformarli in supercomputer quantistici e consentire l’uso pratico di sensori quantistici collegati in rete. Grandi ambizioni. Il Dipartimento dell’Energia, ad esempio, nel 2020 ha persino pubblicato un progetto di strategia per la costruzione di un’Internet quantistica a livello nazionale.

Ovviamente non siamo ancora arrivati ​​a questo punto.

All'inizio di questo mese, AWS ha tenuto un Media Innovation Day presso il suo AWS Center for Quantum Networking (ACQN), presentando diverse aree tecnologiche di AWS, ma concentrandosi sul lavoro di rete quantistica dell'azienda. L'ACQN è stato aperto circa un anno fa e ha sede nell'area metropolitana di Boston, dove ha una stretta collaborazione con la Harvard Quantum Initiative.

Il fatto che AWS abbia intrapreso uno sforzo di networking quantistico non è sorprendente. Antia Lamas-Linares, capo di ACQN, ha dichiarato durante l'evento: "Molte persone pensano che AWS fornisca elaborazione, dati, archiviazione e tutte queste cose. Ma in realtà è una delle reti più grandi al mondo. Tutti questi componenti sono collegati da un'enorme infrastruttura di fibra ottica. Questo è gran parte di ciò che rende AWS un'infrastruttura così potente."

In effetti, come la maggior parte dei giganteschi fornitori di servizi cloud, AWS sta facendo grandi passi avanti nel settore quantistico oltre ai suoi popolari servizi quantistici Braket e al portale di accesso QPU di terze parti. Dispone inoltre di un laboratorio di soluzioni che collabora con i clienti su casi d'uso e applicazioni, un centro per l'informatica quantistica che effettua ricerca QPU e sviluppo di sistemi quantistici e ACQN. (Vedi la copertura HPCwire, AWS ha una visione breve e lunga del calcolo quantistico)

“Nelle reti quantistiche, la nostra preoccupazione principale è come spostare i qubit. Come trasmettiamo, manipoliamo e memorizziamo le informazioni quantistiche e le utilizziamo con le applicazioni? Li chiamiamo qubit volanti”, ha detto Lamas-Linares, “Di solito sono fotoni, perché i fotoni sono bravi ad attraversare lunghe distanze. Inoltre tendono ad essere, naturalmente, molto ben isolati dall'ambiente. Quindi sono ottimi portatori di informazioni quantistiche. Qui all'ACQN sviluppiamo le tecnologie per le reti quantistiche. Non sono tutti completamente cotti. Molte di queste tecnologie sono state parzialmente dimostrate nei laboratori accademici, ma necessitano ancora di molto sviluppo per arrivare a una rete quantistica a tutti gli effetti”.

Come l’informatica quantistica, le reti quantistiche cercano di sfruttare la sovrapposizione e l’entanglement e affrontano molte delle stesse sfide, come la fedeltà dei qubit e il rumore ambientale. Devono anche fare i conti con la distanza. Inviare un qubit (qui i fotoni sono i portatori di entanglement preferiti) a lunga distanza mantenendone lo stato è una sfida importante. L’interfaccia con computer quantistici che utilizzano altri tipi di qubit – superconduttori, ioni intrappolati, ecc. – è un’altra sfida.

Nessuna sorpresa, lo sviluppo di ripetitori affidabili è uno degli obiettivi principali per gli sviluppatori di reti quantistiche e risulta che AWS sta facendo passi da gigante in questo settore. Allo stesso modo, una memoria quantistica efficace è una parte importante di questi ripetitori; deve esserci un modo per catturare singoli qubit volanti, in questo caso singoli fotoni, e tenerli fermi e convincerli a interagire con altri qubit in un modo che non infranga le leggi complicate della meccanica quantistica (nessuna clonazione!)

Attualmente, il limite per la rete quantistica ottica è di circa 100 chilometri. Le più grandi reti quantistiche utilizzano i satelliti per coprire poco più di 1000 km. Un esempio di rete “lunga” utilizzata a livello commerciale è la rete HSBC (banca con sede a Londra) a 62 km. AWS ha recentemente riportato una dimostrazione di successo di una rete QKD a Singapore.

Breve introduzione:

Il compito di comunicazione quantistica più semplice prevede la connessione di due parti su estremità diverse di una rete. Sì, li chiameremo Alice e Bob per convenzione. Ciascuno invia un qubit (anzi tanti) codificato in un fotone. Lasciando da parte il protocollo, i qubit volanti possono arrivare solo fino a un certo punto prima di perdersi nell’ambiente. I ripetitori sono necessari per catturare e trasferire l'entanglement (stato) di ciascun fotone in arrivo in una memoria. Questo processo prevede il trasferimento (non la clonazione) dello stato del qubit in memoria, quindi il trasferimento su un altro fotone per il viaggio lungo la tappa successiva del viaggio.