Kvanteteleportation – fakta eller fiktion?

Brug af optisk fiber til kvanteteleportering

Global digital kommunikation er afhængig af hurtig og effektiv overførsel af data med lysets hastighed gennem et komplekst netværk af optiske fibre. Dette er acceptabelt for klassisk databehandling, som bruger binære strenge på 0 og 1.

Men efterhånden som kvanteberegning bliver mere og mere tæt på at være et almindeligt brugt værktøj til kryptering, videnskabelig forskning og andre applikationer, opstår spørgsmålet om, hvordan man overfører kvantedata fra en kvantecomputer til en anden.

I lang tid mente man, at dette var næsten umuligt. Hver kvantecomputer var bestemt til at arbejde isoleret fra hinanden, hvilket reducerede deres potentiale.

Dette er hurtigt ved at blive et vigtigt problem at løse for tech-industrien, især som nye skalerbare designs af kvantechips er netop blevet afsløret.

Så dette er et vigtigt springbræt, som forskere ved Northwestern University, Ciena Corporation og NuCrypt LCC har opdaget: kvantetilstand kan bevares og overføres i optisk fiber sammen med en "normal" datastrøm.

De offentliggjorde deres resultater i Optica, med titlen "Kvanteteleportation sameksisterer med klassisk kommunikation i optisk fiber¹".

Kvante teleportering

Selvom det lyder som et fantasifuldt koncept fra en science-fiction-film, er kvanteteleportation faktisk et rigtigt fænomen, der er studeret i årtier.

Dette sker når 2 forskellige partikler er "parret/bundet" sammen, noget der kaldes kvantesammenfiltring.

I dette tilfælde, når to partikler er forbundet, uanset afstanden mellem dem, udveksler de information over store afstande - uden fysisk at bære det. I nogle tilfælde kan det endda være muligt, at informationsudvekslingen sker hurtigere end lysets hastighed, noget teoretisk umuligt.

Hvordan det virker, og hvad det betyder for det grundlæggende aspekt af vores virkelighed, diskuteres stadig heftigt af kvantefysikere. Men vi ved, at dette er en meget reel og målbar kvanteeffekt, som kunne give mulighed for perfekt sikret og øjeblikkelig kommunikation.

Radikalt anderledes kommunikation

En nål i en høstak i bevægelse

Indtil nu blev det antaget, at ingen kvantetilstand kunne overføres gennem optisk fiber, da enhver individuel sammenfiltret foton ville blive trukket i de andre milliarder, der rejser med den, og miste sin unikke kvantetilstand.

"Ved at udføre en destruktiv måling på to fotoner - en med en kvantetilstand og en viklet ind i en anden foton - overføres kvantetilstanden til den resterende foton, som kan være meget langt væk.

Selve fotonen skal ikke sendes over lange afstande, men dens tilstand ender alligevel med at blive indkodet på den fjerne foton. Teleportering tillader udveksling af information over store afstande uden at kræve, at informationen i sig selv kan rejse den afstand."

Jordan Thomas – Ph.D. ved Northwestern University.

Nøgleindsigten var at måle, om der ikke var en bestemt tilstand i den optiske fiber, som ikke ville forstyrre kvantesammenfiltringen.

Efter at have udført dybdegående undersøgelser af, hvordan lys spredes inden for fiberoptiske kabler, fandt forskerne en mindre overfyldt bølgelængde af lys til at placere deres fotoner, 1290-nm kvantekanalerne. Derefter tilføjede de specielle filtre for at reducere støj fra almindelig internettrafik.

Selv om dette lyder let, var den faktiske eksperimentelle opsætning selvfølgelig næsten enkel, og den offentliggjorte videnskabelige artikel gav os et glimt af, hvor komplekst hele eksperimentet virkelig var:

Kilde: Optica

Ny telekommunikation

Da optiske fibre overfører fotoner fra punkt A til punkt B, var det allerede kendt, at de kunne bære en kvantetilstand i dem. Men det er første gang, at det er blevet påvist, at dette kan ske samtidig med, at andre ikke-kvantedata også overføres.

Dette betyder, at der foregår en meget anderledes informationsoverførselsproces, hvor man stoler på en enkelt foton ad gangen i stedet for den sædvanlige million fotoner.

”I optisk kommunikation omdannes alle signaler til lys. Mens konventionelle signaler til klassisk kommunikation typisk omfatter millioner af lyspartikler, bruger kvanteinformation enkelte fotoner."

Pr Prem Kumar – Direktør for Center for Fotonisk Kommunikation og Computing ved Northwestern University

Fra indledende prototype til større ambitioner

Mere optisk fiber

Den første test blev udført på en 30 km lang (18.6 miles) optisk fiber, med højhastighedsinternettrafik, der passerede igennem.

Det næste skridt for forskerne bliver at eksperimentere med meget længere afstande for at se, hvor langt de kan skubbe for denne nye metode til fjernkommunikation.

Dette er indtil videre blevet udført med laboratorie-only optisk fiber. Et andet sæt test vil eksperimentere med optiske kabler i den virkelige verden og se, hvor godt de fungerer sammen med det allerede eksisterende globale netværk af optisk internetfiber.

Udvidelse af kvanteapplikationer

En anden del af den igangværende undersøgelse vil være at bruge to par sammenfiltrede fotoner i stedet for et par. Dette ville kontrollere, hvad der sker ved et andet kvantefænomen kaldet entanglement swapping.

Entanglement swapping er en protokol til at overføre kvantesammenfiltring fra et par partikler til et andet, selvom det andet par af partikler aldrig har interageret.

Dette er et vigtigt ekstra værktøj til potentiel fremtidig kvantetelekommunikation, fordi det ville føre til distribuerede kvanteapplikationer som kvantenetværk. Disse netværk kan understøtte sikker overførsel af kvanteinformation over lange ruter.

"Kvanteteleportering har evnen til at give kvanteforbindelse sikkert mellem geografisk fjerne noder. Men mange mennesker har længe antaget, at ingen ville bygge specialiseret infrastruktur til at sende lyspartikler.

Hvis vi vælger bølgelængderne rigtigt, behøver vi ikke bygge ny infrastruktur. Klassisk kommunikation og kvantekommunikation kan eksistere side om side."

Pr Prem Kumar – direktør for Center for Fotonisk Kommunikation og Computing ved Northwestern University

Dette ville være et stort skridt inden for kvantedrevet kryptering, da det ved at udnytte byttede entanglements mellem partikelpar er muligt at generere sikre krypteringsnøgler, der skal beskyttes mod aflytning.

En anden effekt ville være at give mulighed for ultra-lang afstand overførsel af kvantetilstande gennem en metode kaldet kvanterepeatere. Ved at udføre entanglement swapping regelmæssigt, kunne det "opfriske" kvantetilstanden og undgå datatab over lange afstande.

Investering i kvantecomputere

Quantum computing er stadig et spirende felt, men investorer kan allerede få adgang til det gennem virksomheder, der udvikler det.

Du kan investere i kvanterelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan finde her, på værdipapirer.io, vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, samt mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke kvantecomputervirksomheder, kan du også se nærmere på kvantecomputere-ETF'er som f.eks. Defiance Quantum ETF (QTUM), som vil give en mere diversificeret eksponering for at udnytte kvantecomputerindustrien.

Du kan lære mere om kvanteberegning i "Den nuværende tilstand af kvanteberegning” og de største virksomheder i sektoren i “5 bedste kvantecomputervirksomheder”&“Top 10 ikke-silicium computing virksomheder".

Quantum Computing Company

1. Alphabet Inc.

Google er meget aktiv inden for kvantecomputere, for det meste gennem sit Google Quantum AI-laboratorium og Quantum AI-campus i Santa Barbara.

Googles kvantecomputer skrev historie i 2019, da de hævdede at have opnået "kvanteoverherredømme" med deres Sycamore-maskine. Maskinen udførte en beregning på 200 sekunder, der ville have taget en konventionel supercomputer 10,000 år.

Dette er nu overskredet dens nyeste chip ydeevne, kaldet Willow. Dette er den allerførste kvantecomputerchip med en fejlrate, der er lav nok til, at jo flere qubits du tilføjer, jo mindre fejl får du. Det gør det til det allerførste skalerbare kvantechipdesign.

Men måske vil Googles største bidrag være i software, en aktivitet, hvor den har en imponerende track record, faktisk bedre end i hardware (søgning, GSuit, Android osv.).

Googles kvante-AI stiller allerede en softwarepakke til rådighed, der er designet til at hjælpe forskere med at udvikle kvantealgoritmer.

Det går også åbent ind for "forskere, ingeniører og udviklere til at slutte sig til os på denne rejse ved at tjekke vores open source software og uddannelsesmæssige ressourcer, herunder vores nyt kursus på Coursera, hvor udviklere kan lære det væsentlige i kvantefejlkorrektion og hjælpe os med at skabe algoritmer, der kan løse fremtidens problemer."

Takket være denne åbne tilgang er Google nu førende inden for både hardware og cloudløsninger. Google kan være en af ​​de virksomheder, der sætter standarden for kvantecomputersoftware og kvanteprogrammering, hvilket giver dem en privilegeret position til at styre feltets fremtidige udvikling.

I mellemtiden kan AI-løsninger, herunder Waymos selvkørende bil, blive den nye indtægtsdriver for Alphabet, som stadig har en massivt dominerende position inden for søge- og annoncebranchen.

Du kan lære mere om Googles ikke-kvanterelaterede aktiviteter, især annoncer og kunstig intelligens, i vores dedikerede rapport fra december 2024.

2. Ciena Corporation

En partner er forskningsprojektet, der demonstrerede kvanteteleportation i optisk fiber, Ciena Corporation er en global leder inden for optiske og routingsystemer, tjenester og automatiseringssoftware.

Ciena er uden sammenligning verdens største virksomhed eks-Kina på det optiske marked, der kontrollerer mere end 25 % af markedet. Det er det til stede i 70 lande.

Kilde: Ciena Corporation

Virksomheden ser efterspørgslen efter båndbredde som eksploderende i de næste 4 år, drevet af efterspørgslen fra AI-applikationer.

Kilde: Ciena Corporation

Dette har fået virksomheden til at bruge sin stærke position inden for optiske netværk til at ekspandere til nye markeder, der er relevante for AI-boomet, især på grund af mange AI-applikationer kræver nye lokaliserede data centre, på grund af love om privatliv og grænseoverskridende datastrøm samt fremkomsten af ​​adskilte datacentre, kræver mere optisk netværkskapacitet.

Kilde: Ciena Corporation

Hvis eksisterende netværk af optisk fiber viser sig at være kan bruges til at transmittere kvantedata, kunne dette bevise en ny blomstrende sektor for den optiske netværksindustri. Dette ville gøre sektorens fremtid endnu mere lovende, da kvantecomputere kunne give det et massivt løft efter den allerede eksploderende efterspørgsel fra AI-applikationer.

Studiereference:

^{1. Thomas, JM, Yeh, FI, Chen, JH, Mambretti, JJ, Kohlert, SJ, Kanter, GS, & Kumar, P. (2024). Kvanteteleportation sameksisterer med klassisk kommunikation i optisk fiber. Optica, 11(12), 1700-1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}