Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, Université Stony Brook, et l'Energy Sciences Network (ESnet) du DOE collaborent à une expérience qui place la recherche américaine sur les réseaux quantiques sur la carte internationale. Les chercheurs ont construit un banc d'essai de réseau quantique qui relie plusieurs bâtiments sur le campus du Brookhaven Lab à l'aide de sources d'intrication quantique portables uniques et d'un réseau de fibres de communication DOE ESnet existant, une étape importante dans la construction d'un réseau quantique à grande échelle capable de transmettre des informations sur de longues distances.

« En mécanique quantique, les propriétés physiques des particules intriquées restent associées, même séparés par de grandes distances. Ainsi, lorsque les mesures sont effectuées d'un côté, cela affecte aussi l'autre, " a déclaré Kerstin Kleese van Dam, directeur de la Computational Science Initiative (CSI) de Brookhaven Lab. "À ce jour, ce travail a été démontré avec succès avec des photons intriqués séparés d'environ 11 milles. C'est l'un des plus grands réseaux de distribution d'intrication quantique au monde, et l'expérience d'enchevêtrement sur la plus longue distance aux États-Unis."

Ce projet de banc d'essai de réseautage quantique comprend le personnel de CSI et de la division Instrumentation et du département de physique de Brookhaven, ainsi que des professeurs et des étudiants de l'Université Stony Brook. Le projet fait également partie du Northeast Quantum Systems Center. Un aspect distinct du travail de l'équipe qui la distingue des autres réseaux quantiques exploités en Chine et en Europe, tous deux engagés depuis longtemps dans les activités de l'informatique quantique, est que les sources d'intrication sont portables et peuvent être facilement montées dans un serveur informatique de centre de données standard. racks qui sont connectés à des panneaux de distribution à fibres optiques ordinaires.

L'équipe a installé avec succès une source de photons intriqués quantiques portable dans un rack de serveurs hébergé au sein du Centre de données et de calcul scientifiques de BNL, où se trouve le hub de réseautage central du laboratoire. Avec cette connectivité, les photons intriqués peuvent désormais être distribués dans chaque bâtiment du campus du laboratoire en utilisant l'infrastructure de fibre Brookhaven et ESnet existante. Les fibres d'ESnet ont été introduites dans les chemins entre les bâtiments pour permettre la distribution et l'étude de l'enchevêtrement sur des distances de plus en plus longues. Les sources d'intrication portables sont également compatibles avec les mémoires quantiques existantes, des cellules de verre remplies d'atomes qui peuvent stocker des informations quantiques. Normalement conservé à des températures très froides, ces cellules peuvent être stimulées à l'aide de lasers pour contrôler les états atomiques en leur sein.

Dans le cadre d'un travail parrainé par le programme de recherche sur l'innovation des petites entreprises (SBIR) du DOE, le banc d'essai Brookhaven-Stony Brook-ESnet comprend des mémoires quantiques portables pouvant fonctionner à température ambiante. De telles mémoires quantiques, conçu pour les réseaux quantiques à grande échelle, sont depuis longtemps un « pet project » pour Eden Figueroa, une personne nommée conjointement avec la division CSI et instrumentation de Brookhaven et un professeur de l'Université Stony Brook qui dirige son groupe de technologie de l'information quantique. Il est l'investigateur principal du projet de banc d'essai des réseaux quantiques.

"La démonstration vise à combiner l'intrication avec des mémoires quantiques atomiques compatibles, " a déclaré Figueroa. "Nos mémoires quantiques ont l'avantage de fonctionner à température ambiante plutôt que de nécessiter un froid glacial. Il est donc naturel d'étendre le test aux principes des répéteurs quantiques, qui sont la clé technologique pour parvenir à une communication quantique sur des centaines de kilomètres."

Les réseaux quantiques envoient des impulsions lumineuses (photons) à travers la fibre, ce qui nécessite que la lumière soit périodiquement amplifiée lorsqu'elle se déplace à travers les lignes. Cependant, contrairement aux transmissions numériques dans les réseaux de communication, l'intrication quantique est limitée par la décohérence, où les photons enchevêtrés, par exemple, revenir aux états classiques parce que les interactions avec l'environnement leur font perdre la capacité de rester enchevêtrés. Cela limite l'envoi de ces états quantiques fragiles sur de grandes distances.

Des répéteurs quantiques viables permettront à Figueroa et à son équipe d'étendre leurs expériences en cours au sein de réseaux quantiques « locales » à un système distribué, ou "grande zone, ". En prévision de cela, l'équipe construit les connexions optiques nécessaires pour relier le réseau quantique de Brookhaven Lab à ceux qui existent déjà dans les universités de Stony Brook et de Yale.

"Réaliser le réseau quantique avec des sources de photons intriqués montées dans des racks de serveurs, mémoires quantiques portables, et les répéteurs fonctionnels marqueront le premier véritable réseau de communication quantique au monde qui connecte véritablement les processeurs et les mémoires de l'informatique quantique à l'aide de l'intrication quantique photonique, " Figueroa a déclaré. "Cela marquera un changement radical dans les communications qui peut avoir un impact sur le monde."