Johdanto

Kvanttiverkko on uuden aikakauden rajalla turvallisessa viestinnässä ja hajautetussa tiedonkäsittelyssä. Kyky siirtää kvanttitiloja, kuten kiemuroituneita fotoneja, pitkillä etäisyyksillä lupaa ehdotonta turvallisuutta fysiikan lakien perusteella. Kvanttiverkkojen käytännön käyttöönottoa on kuitenkin haitannut se, että laitteiston kokonaisuutta ja haurautta on vaikeutettu, kun se tuottaa, manipuloi ja mittaa kvanttisignaaleja. Tämän alan tulevaisuus riippuu kvanttiverkkolaitteiden miniaturoinnista ja siirrettävyydestä. Näiden järjestelmien tekeminen pienemmiksi, vahvemmiksi ja kenttäkäyttökelpoisiksi avaa laajan valikoiman sovelluksia turvallisesta matkaviestinnästä kvanttien tehostamiseen. Tässä artikkelissa tarkastellaan nykyisiä haasteita, miniaturointia edistäviä teknologisia innovaatioita ja kannettavien kvanttiverkkojen mahdollista tulevaa vaikutusta.

Miniaturization ja Portability -tarve

Nykypäivän kvanttiverkkotestialustat miehittävät usein kokonaisia laboratoriohuoneita, jotka perustuvat suuriin optisiin pöytiin, jääkaappien kokoisiin kryogeenisiin järjestelmiin ja monimutkaisiin laserasetuksiin. Tällainen infrastruktuuri on yhteensopimaton reaalimaailman käyttöönottoskenaarioiden kanssa, joissa tila, teho ja helppokäyttöisyys ovat kriittisiä. Miniaturointi on tärkeää useista syistä:

  • Maahantulo:[ Kannettavia kvanttisolmuja voidaan käyttää taktisissa sotilasympäristöissä, katastrofien torjunta-alueilla tai kaukokartoitusasemilla.
  • Varauksen vähentäminen:[ Pienemmät massatuotantokomponentit vähentävät esteitä tutkimuslaitosten, televiestintäyhtiöiden ja valtion virastojen pääsylle markkinoille.
  • Kalibrointi:[ Kompakti kvanttitoistolaite tai reititin voidaan sijoittaa kuituoptisten reittien pitkin laajentaa kvanttiverkkoja ilman massiivista infrastruktuuria.
  • Integraatio klassisiin järjestelmiin:[ Miniaturisoidut kvanttilaitteet voivat jakaa telinetelineitä klassisen verkkolaitteen kanssa, mikä mahdollistaa saumattomat klassisen kvantin yhdistelmäverkot.

Tärkeimmät tekniset haasteet

Kvantin johdonmukaisuuden säilyttäminen

Kvanttilaitteiston on perustuttava hauraisiin tiloihin, kuten superpositioon ja sotkeutumiseen, jotka ovat helposti häiritseviä vuorovaikutuksen kanssa. Miniaturizing komponentit usein asettavat ne lähemmäksi toisiaan, lisääen ristivärkin ja dekoherenssin riskiä. Esimerkiksi on-sirulla fotoniikka on eristää aaltoguideja, jotta ei-toivottuja fotonien hajaantumista. Kiinteä tila, kuten typpi-vakavuus (NV) keskukset timantti, vaativat erittäin matalaa magneettista melua. Tutkijat kehittävät kehittyneitä materiaali- ja eristämistekniikoita, jotta yhtenäisyys säilyisi kompaktissa muodossa.

Ympäristömelu ja eristyminen

Kvanttijärjestelmät ovat erittäin herkkiä lämpötilan vaihteluille, tärinälle ja sähkömagneettisille häiriöille. Kannettavien laitteiden on toimittava hallitsemattomissa ympäristöissä. Ajoneuvot, ulkona tai lähellä voimalinjoja. Tämä vaatii vankkaa suojausta ja aktiivista vakautta. Innovointi sirukokoisissa atomikelloissa ja MEMS-pohjaisissa tärinänerottimissa on mukautettu kvanttilaitteistoihin, mutta niiden integrointi pieneksi paketiksi uhraamatta suorituskykyä on edelleen suuri tekninen haaste.

Tehoa ja jäähdytystä koskevat vaatimukset

Moniin kvanttiteknologioihin, kuten suprajohtaviin kvanttisävyihin, tarvitaan millekvanttilämpötiloja. Perinteiset laimennusjääkaapit ovat suuria ja virtahöyheniä. Siirrettävyys edellyttää vaihtoehtoisia lähestymistapoja, kuten kompaktit kryojäähdyttimet tai jopa huonelämpötilan kvanttijärjestelmät (esim. fotoniset kvanttisävyt ja jotkut loukussa olevat ion-arkkitehtuurit). Tavoitteena on vähentää virrankulutus tasolle, joka on yhteensopiva akun käytön tai pienten generaattoreiden kanssa, mikä mahdollistaa kenttäkäytön.

Läpimurtoteknologiat ajo miniaturisointi

Integroidut fotoniikkatuotteet

Fotoniset kvanttiverkot käyttävät fotoneja lentävinä kvanttien määräyksinä. Yhdistämällä lasereita, modulaattoreita, säteenjakolaitteita ja yksifotoni-ilmaisimia yhdelle sirulle, integroidut fotoniikkajärjestelmät vähentävät huomattavasti kokoaan ja monimutkaisuutta. Pii fotoniikka-alustat esimerkiksi mahdollistavat massan valmistuksen olemassa olevien puolijohdeprosessien avulla. Käynnistys- ja tutkimusryhmät ovat osoittaneet mikrosirulla olevia kietoutumislähteitä ja kvanttiportteja. Piilankaisten fotonien kvanttipiirien () kehitys osoittaa, että tällaiset järjestelmät voivat saavuttaa korkean lämpöarvon toiminnan muutaman neliömillimetrin jalanjäljessä.

Kiinteän valtion kvantitaatiot

Kiinteä-tila-qubits, erityisesti NV keskukset timantti ja silikoni avoimet, tarjoavat vakaat kvanttitilat huoneenlämpöön tiettyjen sovellusten. Nämä vikakeskukset voidaan valmistaa ohuilla timanttikalvoilla tai jopa integroida fotonisia rakenteita. Kehityksessä timantti fotoniset sirut yhdistyvät pitkä johdonmukaisuus kertaa NV keskukset ja kompaktin siru-luokan valmistus. Yritykset työskentelevät [ kaupallisissa timanttipohjaisia kvanttiantureita ja muistoja[], jotka sopivat reppuun.

Edistynyt jäähdytys ja kryogeenisuus

Kryogeeninen teknologia kehittyy suurten laimennusjääkaappien ulkopuolelle. Kompaktit pulssiputkien kryojäähdyttimet ja kryostaatit, jotka on suunniteltu kuutioita tai kannettavia laboratorioita varten, saavuttavat nyt kelvin-alalämpötilan murto-osassa tilavuudesta. Tutkijat ovat esimerkiksi rakentaneet kannettavan kryogeenisen järjestelmän suprajohtaville krbiteille, jotka sopivat matkalaukkukokoiseen koteloon. Nämä järjestelmät vaativat silti merkittävää tehoa, mutta tehokkuuden parantaminen on käynnissä. Fotoniikkapohjaisille kvanttitietokoneille ja -verkoille huonelämpötilan käyttö on mahdollista, jolloin kryogeenien tarve poistuu kokonaan joissakin arkkitehtuurissa.

Kvanttivirheen korjaus

Miniaturization tuo lisää melua ja puutteita. Quantum virhekorjaus (QEC) on ratkaisevan tärkeää säilyttää uskollisuus kannettavissa laitteissa. QEC-koodien, kuten pintakoodien, edistyminen räätälöidään matalan overhead-toteutuksiin. Virhekorjauslogiikan integrointi suoraan ohjaussiruihin mahdollistaa Qubits ilman isoja ulkoisia instrumentteja. Tämä on keskeinen mahdollistaja luotettaville kannettaville kvanttisolmuille.

Polku siirrettäviin kvanttiverkkoihin

Kvanttitoistot ja reitittimet

Kvanttitoistot ovat välttämättömiä pitkän matkan kvanttikommunikaatiolle, joka voittaa fotonihäviön optisissa kuiduissa. Perinteiset toistimet vaativat kvanttimuistoja ja kietoutumista, jotka usein sisältävät kylmäatomiansoja tai suuria kiteitä. Miniaturoidut versiot, joissa käytetään sirumittakaavaisia atomihöyrysoluja tai solid-state -kvanttimuistoja, ovat kehitteillä. Kannettava kvanttitoisto voidaan sijoittaa joka kymmenes kilometriä pitkin kuitulinkkiä, jolloin kvantti-internet ulottuu mantereille ilman massiivisia tiloja.

Chip-skaalajärjestelmät

Perimmäisenä tavoitteena on integroida kaikki olennaiset kvanttiverkkotoiminnot..................................................................................................................................................................................................................................................

Tulevat sovellukset

Turvallinen viestintä

Kannettavat kvanttiavaimen jakelulaitteet (QKD) ovat jo markkinoilla, mutta ne ovat suhteellisen suuria. Seuraavan sukupolven miniatyyristyneet QKD-päätteet mahdollistavat turvallisen viestinnän matkapuhelimille, lennokeille ja satelliiteille. Esimerkiksi kädessä pidettävät kvanttisatunnistuslukugeneraattorit ja -lähettimet voitaisiin integroida älypuhelimiin, mikä luo kvanttiturvallisen viestintäsovelluksen. Hallitukset ja yritykset voisivat ottaa käyttöön kannettavia kvanttiverkkosolmuja turvallisten väliaikaisten yhteyksien luomiseksi tapahtumien tai kriisien aikana.

Jaettu kvanttilaskenta

Pienet, modulaariset kvanttisolmut voidaan yhdistää fotoniverkkojen kautta hajautettuun kvanttitietokoneeseen. Kannettavat kvanttiprosessoriyksiköt (QPU) voidaan sijoittaa eri paikkoihin, jakaa kietoutumista kuitu- tai vapaa-avaruuslinkkien päälle. Tämä arkkitehtuuri mahdollistaa skaalautumisen yhden kryostaattirajan yli ja mahdollistaa kvanttipilvipalvelut kannettavilla päätepisteillä.

Aistinvarainen ja metrologia

Kvanttianturit hyötyvät myös miniatyyristyksestä. Kannettavat yhteen kietoutuneet fotonilähteet voivat parantaa interferometrisia mittauksia, gravitaatioaaltoilmaisimia tai magnetometria. Kompaktin kvanttianturien verkostoja voitaisiin käyttää ympäristön seurantaan, maanalaiseen maanalaiseen maanalaiseen kartoitukseen tai GPS-kieltäytyneissä ympäristöissä. U.S. Department of Defense on tutkinut kannettavia kvanttisensoriverkkoja [ tarkkuutta ja paikannusta varten.

Päätelmät

Kvanttiverkkolaitteiston miniatyyristyminen ja siirrettävyys ei ole vain tekninen mukavuus; se on välttämätön askel kohti kvanttiviestinnän tekemistä kaikkialla käytössä oleva teknologia. Kun voitamme haasteet johdonmukaisuuden, eristämisen ja jäähdyttämisen avulla integroidun fotoniikan, kiinteän tilan kvanttien ja kehittyneiden kryogeenien avulla, tutkijat valmistelevat tietä kenttätyökykyisille kvanttisolmuille. Seuraava vuosikymmen tulee todennäköisesti näkemään kvanttiverkkolaitteiston kutistuvan huonekokoisista laitteistoista laitteisiin, jotka eivät ole suurempia kuin kannettava tietokone, mahdollistavat turvallisen viestinnän, jaetun kvanttitietokoneen ja uudenlaiset aistimissovellukset sekä siviili- että puolustusaloilla. Jatkuvat investoinnit materiaalitieteeseen, sirujen valmistukseen ja järjestelmän integrointi ovat kriittisiä tämän tulevaisuuden toteuttamiseksi.