Fraunhofer ILT uruchamia węzeł internetu kwantowego – punkt wyjścia dla europejskiej sieci

Fraunhofer ILT rozpoczął obsługę węzła internetu kwantowego, który opracował wraz ze swoim holenderskim partnerem TNO. System jest niemal identyczny z węzłami sieciowymi, za pomocą których holenderski ośrodek badawczy QuTech zademonstrował połączenie splątania kwantowego między Hagą a Delft. Nowy węzeł będzie służył jako platforma badawcza. Fraunhofer ILT testuje go z partnerami z przemysłu i nauki w sieci lokalnej i kontynuuje rozwój technologii. Instytut koncentruje się na komponentach fotonicznych: przetwornikach częstotliwości kwantowych, laserach, optyce lub źródłach pojedynczych fotonów.

Stacjonarny kubit węzła internetu kwantowego z centrum koloru. Pobudzone, takie defekty w diamentach hodowanych w laboratorium emitują pojedyncze fotony na żądanie, które są splątane ze stanem kubitu i są w stanie transportować te informacje. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy / Ralf Baumgarten.

„Internet zabezpieczony splątaniem kwantowym umożliwiłby bezpieczny zdalny dostęp do komputerów kwantowych – również za pośrednictwem klientów fotonicznych w przyszłości – tak aby ograniczony dostępny sprzęt kwantowy był dostępny dla wielu użytkowników” – wyjaśnia dr Bernd Jungbluth, szef Strategic Mission Initiative Quantum Technology w Fraunhofer ILT. Ponadto internet kwantowy jest postrzegany jako czynnik umożliwiający nową generację aplikacji cyfrowych, które nie byłyby możliwe do zrealizowania przy użyciu konwencjonalnej infrastruktury; na przykład dzięki internetowi kwantowemu użytkownicy mogliby całkowicie i nieodwracalnie usuwać przesyłane informacje. Metody oparte na fizyce kwantowej mogłyby być również wykorzystywane do zapewnienia anonimowego przesyłania informacji, na przykład w przypadku sygnalizowania nieprawidłowości. Ślepe przetwarzanie kwantowe jest również uważane za obiecujące. Umożliwia to użytkownikom dostęp do mocy obliczeniowej zdalnych komputerów kwantowych bez możliwości przeglądania danych wejściowych, algorytmów lub wyników przez ich operatorów. Połączenie kilku rozproszonych komputerów kwantowych w celu utworzenia wydajnego ogólnego systemu jest kolejnym możliwym zastosowaniem przyszłości.

Podczas demontażu w Delft zespół Fraunhofer ILT uzyskał dogłębną wiedzę na temat węzła sieciowego. To właśnie ta wiedza i wsparcie TNO stanowiły podstawę udanego ponownego uruchomienia w Aachen. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy / Ralf Baumgarten.

Kluczowe komponenty fotoniczne

W rozwoju internetu kwantowego badania koncentrują się głównie na węzłach sieci fotonicznej, takich jak te w Hadze, Delft, a teraz w Akwizgranie. Ich sercem są kubity centrów barwnych w diamencie, znane jako centra NV, które są wakatami azotowymi w sieci krystalicznej diamentów. Ale możliwe są również inne defekty. Wzbudzenie tworzy dodatkowy elektron w wakacie, a zatem układ kwantowy, którego stany energetyczne naukowcy mogą kontrolować za pomocą światła laserowego, mikrofal oraz pól elektrycznych i magnetycznych. Jeśli zastosują się do odpowiednich protokołów, wzbudzony ośrodek NV emituje na żądanie pojedynczy foton w widzialnym zakresie widmowym, który jest splątany ze spinem elektronu w tym układzie i który może być użyty do splątania z innymi węzłami połączonymi za pomocą światłowodu.

Jednak transmisja fotonowa osiąga swoje granice na dłuższych dystansach, ale Fraunhofer ILT opracował rozwiązanie, aby pokonać tę granicę: prawie bezszumowy przetwornik częstotliwości kwantowej przesuwa długość fali fotonów do niskostratnego widma telekomunikacyjnego około 1550 nm. „Aby wymienić stany superpozycji między węzłami sieci, musimy przesłać jak najwięcej fotonów na drugi koniec linii” — mówi Jungbluth.

W ramach projektu finansowanego przez kraj związkowy Nadrenia Północna-Westfalia (NRW) jego zespół opracował nowy węzeł sieciowy wspólnie z TNO. Oprócz przetwornika częstotliwości kwantowej wykorzystują również opracowane przez siebie zespoły optyczne. Po zakończeniu budowy, przetestowaniu i pomyślnym uruchomieniu w TNO w Delft zespół Jungblutha przeniósł system do Akwizgranu i zainstalował go w Fraunhofer ILT. Tutaj system jest zintegrowany z lokalną infrastrukturą światłowodową. Instytut planuje przetestować węzeł w sieci lokalnej i kontynuować jego rozwój z partnerami z przemysłu i nauki, skupiając się na kluczowych komponentach fotonicznych. Oprócz kwantowego przetwornika częstotliwości, komponenty te obejmują również źródła pojedynczych fotonów, detektory oraz lasery i optykę. Współpracując z młodszą grupą badawczą dr. Floriana Elsena na Uniwersytecie RWTH w Akwizgranie, zespół będzie również pracował nad interfejsami do innych platform kubitowych – w celu opracowania podstaw przyszłych heterogenicznych sieci kwantowych.

Nucleus dla kwantowego internetu przyszłości

Zespół w Akwizgranie tworzy otwarte środowisko testowe i rozwojowe dla fotonowego sprzętu kwantowego wokół węzła. Platforma jest otwarta nie tylko dla partnerów z Nadrenii Północnej-Westfalii, ale także dla europejskich instytucji badawczych i firm. Ich celem jest wspólne opracowywanie interfejsów, protokołów i komponentów dla kwantowego internetu przyszłości oraz dbanie o ich kompatybilność od samego początku. „Fraunhofer ILT wnosi w ten sposób konkretny wkład w europejską sieć – tak jak robi to również Quantum Internet Alliance (QIA)” – mówi Jungbluth. Teraz, gdy stworzono podstawy w postaci technologii węzła, istnieje możliwość ustanowienia jej jako centralnego ogniwa w przyszłej europejskiej sieci testowej.

Rozpoczęcie działalności w Akwizgranie oznacza również kamień milowy dla stanu technologii kwantowej Nadrenii Północnej-Westfalii: jako pierwszy tego typu węzeł może potencjalnie stanowić punkt wyjścia do rozwoju kwantowego internetu w Niemczech. „Istnieją plany zintegrowania go z siecią kwantową na skalę metropolitalną w przyszłości” – informuje Jungbluth, dodając, że początkowy nacisk położony jest na testowanie, optymalizację i miniaturyzację fotonicznych bloków konstrukcyjnych. Praca ta służy również transferowi wiedzy z badań podstawowych do przemysłu, obszaru, w którym Fraunhofer ILT specjalizuje się od ponad 40 lat.

Fraunhofer ILT będzie teraz systematycznie optymalizować system z partnerami z przemysłu i badań. Skupimy się na jego komponentach fotonicznych. Długoterminowy cel: ochrona transferów danych z splątanymi kubitami przed nieautoryzowanym dostępem. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy / Ralf Baumgarten.

Złożony proces transferu

Fotonika jest potrzebna do rozwiązania wielu problemów podczas konstruowania sieci kwantowych opartych na włóknach, w tym stabilizacji fazy i niezwykle precyzyjnego pomiaru czasu fotonów. Wymagana dokładność czasami mieści się w zakresie nanometrów. Jest to krótsze niż pojedynczy okres oscylacji światła, ale ma kluczowe znaczenie dla pomyślnej wymiany splątania, ponieważ nieodróżnialne fotony z różnych węzłów muszą dotrzeć do punktu środkowego dokładnie w fazie i zostać nałożone w pomiarze stanu Bella. Nie może być możliwe określenie, z którego węzła pochodzi foton, co jest wymogiem, który stawia najwyższe wymagania stabilności stacjonarnych kubitów. Są one jednak bardzo wrażliwe: nawet najmniejsze zmiany pola magnetycznego lub temperatury powodują mierzalne zmiany emitowanej długości fali. Jednocześnie tylko fotony emitowane przez kubity mogą dostać się do światłowodu. Lampy lub włączone smartfony powinny być ściśle używane w pobliżu detektorów, ponieważ w przeciwnym razie splątane fotony zniknęłyby w morzu szumu.

Jungbluth uważa, że wyzwania można rozwiązać dzięki wysoko rozwiniętemu przemysłowi fotoniki w Niemczech i Europie oraz wiedzy fachowej, którą zdobył przez dziesięciolecia. Teraz zadaniem jest uczynienie technologii tak solidną i wydajną, aby firmy mogły przekształcić ją w produkty gotowe do wprowadzenia na rynek przy rozsądnych kosztach i w rozsądnym czasie. Jego zespół będzie również współpracować z Delft Networks, spółką typu spin-out QuTech, której założycielami są Ronald Hanson, który odpowiadał za udane połączenie między Delft a Hagą, oraz Stephanie Wehner, dyrektor Quantum Internet Alliance (QIA). Zespół Delft Networks wniesie swoje połączone doświadczenie w protokołach i algorytmach dla sieci kwantowych, a także w sprzęcie węzłowym. „Sami wykorzystamy nasze doświadczenie w Fraunhofer ILT, aby dalej rozwijać technologie i podsystemy umożliwiające fotonikę” – wyjaśnia.

Szansa dla Niemiec – gracze spotykają się w World of Quantum.

Internet kwantowy otwiera wyjątkową okazję dla niemieckiego i europejskiego przemysłu. Dzieje się tak, ponieważ te przemysły mogą czerpać z wszechstronnej wiedzy wysoce wyspecjalizowanych dostawców fotoniki podczas tworzenia bezpiecznych sieci: Wiedza specjalistyczna w zakresie kontroli czasu i częstotliwości w zabezpieczonym kwantowo Internecie jest dostępna, podobnie jak lasery i optyka lub wiedza metrologiczna w zakresie wykrywania pojedynczych fotonów i stanów kwantowych. To samo dotyczy pakowania systemów i technologii produkcji. Nadrenia Północna-Westfalia jest dobrze przygotowana do odegrania wczesnej i znaczącej roli w rozwoju internetu kwantowego, biorąc pod uwagę jej centralne położenie w Europie i gęsty ekosystem uniwersytetów, instytutów badawczych i firm fotonicznych.

Wielu dostawców spotka się na World of Quantum w Monachium od 24 do 27 czerwca 2025 r. „Możesz spotkać Fraunhofer ILT na Quantum Future Boulevard w hali A1.439-1 i na stoisku EIN.QUANTUM.NRW w hali A1.139, gdzie również zaprezentujemy nasz proces planowania rozwoju i nasze aktualne stanowisko wspólnie z EIN Quantum NRW” — mówi Jungbluth. Serdecznie zaprasza zainteresowane strony do odwiedzenia stoiska, aby dowiedzieć się o możliwościach współpracy nad węzłem internetu kwantowego i innymi projektami w tej dziedzinie.

Źródło: Fraunhofer ILT