Kvanteteleportation – Fakta eller Fiktion?

Brug af optisk fiber til kvanteteleportation

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 computing, som bruger binære strenge af 0 og 1.

Men efterhånden som kvantecomputing bliver stadig tættere på at blive et almindeligt anvendt værktøj til kryptering, videnskabelig forskning og andre anvendelser, opstår spørgsmålet om, hvordan man overfører kvantedata fra én kvantecomputer til en anden.

I lang tid blev dette betragtet som næsten umuligt. Hver kvantecomputer var dømt til at arbejde isoleret fra hinanden, hvilket reducerede deres potentiale.

Dette bliver hurtigt et vigtigt problem at løse for teknologibranchen, især da nye skalerbare design af kvantechips er lige blevet afsløret.

Så dette er en vigtig milepæl, som forskere ved Northwestern University, Ciena Corporation (CIEN ) og NuCrypt LCC har opdaget: kvantetilstanden kan bevares og overføres i optisk fiber sammen med en “normal” datastrøm.

De offentliggjorde deres resultater i Optica, med titlen “Kvanteteleportation sameksisterende med klassisk kommunikation i optisk fiber¹”.

Kvanteteleportation

Mens det lyder som et fantasifuldt koncept fra en science‑fiction‑film, er kvanteteleportation faktisk et reelt fænomen, der er blevet studeret i årtier.

Dette sker, når to forskellige partikler “parres/bindes” sammen, noget der kaldes kvante‑sammenfiltring.

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

Hvordan det fungerer, og hvad det betyder for den grundlæggende del af vores virkelighed, diskuteres stadig hedt af kvantefysikere. Vi ved dog, at dette er en meget reel og målbar kvanteeffekt, som kan muliggøre perfekt sikret og øjeblikkelig kommunikation.

Radikalt anderledes kommunikation

En nål i en bevægende høstak

Indtil nu blev det antaget, at ingen kvantetilstand kunne overføres gennem optisk fiber, da enhver enkelt sammenfiltrede foton ville blive opslugt af de andre milliarder, der rejser med den, og miste sin unikke kvantetilstand.

“Ved at udføre en destruktiv måling på to fotoner — en der bærer en kvantetilstand og en sammenfiltrede med en anden foton — overføres kvantetilstanden til den resterende foton, som kan være meget langt væk.

Fotonen selv behøver ikke at blive sendt over lange afstande, men dens tilstand ender stadig med at blive kodet på den fjerne foton. Teleportation muliggør udveksling af information over store afstande uden at kræve, at selve informationen rejser den afstand.”

Jordan Thomas – Ph.D. ved Northwestern University.

Den væsentlige indsigt var at undersøge, om der ikke var en specifik betingelse i den optiske fiber, der ville forstyrre den kvante‑sammenfiltring.

Efter indgående studier af, hvordan lys spredes i optiske kabler, fandt forskerne en mindre overfyldt bølgelængde til at placere deres fotoner, de 1290‑nm kvantekanaler. Derefter tilføjede de specielle filtre for at reducere støj fra almindelig internettrafik.

Selvfølgelig, selvom dette lyder let, var opsætningen af eksperimentet alt andet end simpel, og den offentliggjorte videnskabelige artikel giver os et glimt af, hvor kompleks hele eksperimentet virkelig var:

Kilde: Optica

Ny telekommunikation

Da optisk fiber overfører fotoner fra punkt A til punkt B, var det allerede kendt, at de kunne bære en kvantetilstand. Men dette er første gang, det er demonstreret, at dette kan ske samtidigt med, at andre ikke‑kvante‑data også overføres.

Dette betyder, at en meget anderledes informationsoverførselsproces finder sted, én der bygger på en enkelt foton ad gangen i stedet for de sædvanlige millioner af fotoner.

“I optisk kommunikation konverteres alle signaler til lys. Mens konventionelle signaler for klassisk kommunikation typisk består af millioner af lys‑partikler, bruger kvanteinformation enkelt‑fotoner.”

Pr Prem Kumar – Direktør for Center for Photonic Communication and Computing ved Northwestern University

Fra første prototype til større ambitioner

Mere optisk fiber

Den første test blev udført på en 30 km lang (18,6 miles) optisk fiber, med højhastigheds‑internettrafik, der passerede igennem.

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

Dette er indtil videre blevet udført med kun laboratorie‑optisk fiber. Et andet sæt tests vil eksperimentere med virkelige, nedgravede optiske kabler og se, hvor godt de fungerer sammen med det eksisterende globale netværk af internet‑optisk fiber.

Udvidelse af kvanteapplikationer

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

Entanglement swapping er en protokol til at overføre kvante‑sammenfiltring fra ét partikelpar til et andet, selvom det andet partikelpar aldrig har interageret.

Dette er et vigtigt ekstra værktøj for potentielle fremtidige kvante‑telekommunikationer, fordi det vil føre til distribuerede kvanteapplikationer som kvantenetværk. Disse netværk kan understøtte sikker overførsel af kvanteinformation over lange ruter.

“Kvanteteleportation har evnen til at levere kvanteforbindelse sikkert mellem geografisk fjerne noder. Men mange har længe antaget, at ingen ville bygge specialiseret infrastruktur til at sende lys‑partikler.

Hvis vi vælger bølgelængderne korrekt, behøver vi ikke bygge ny infrastruktur. Klassisk kommunikation og kvantekommunikation kan sameksistere.”

Pr Prem Kumar – Direktør for Center for Photonic Communication and Computing ved Northwestern University

Dette ville være et stort skridt i kvante‑drevet kryptering, da udnyttelse af udskiftede sammenfiltringer mellem partikelpar gør det muligt at generere sikre krypteringsnøgler, som bør være beskyttet mod aflytning.

En anden effekt ville være at muliggøre ultralange afstandsoverførsler af kvantetilstande gennem en metode kaldet kvante‑repeatere. Ved regelmæssigt at udføre entanglement swapping kunne man “opfriske” kvantetilstanden og undgå datatab over lange afstande.

Investering i kvantecomputing

Kvantecomputing er stadig et fremvoksende felt, men investorer kan allerede få adgang til det gennem virksomheder, der udvikler det.

Du kan investere i kvante‑relaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, Storbritannien, såvel som mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke kvantecomputing‑virksomheder, kan du også kigge på kvantecomputing‑ETF’er som Defiance Quantum ETF (QTUM), som vil give en mere diversificeret eksponering for at drage fordel af kvantecomputing‑industrien.

Du kan læse mere om kvantecomputing i “The Current State of Quantum Computing ” og de største virksomheder i sektoren i “5 Best Quantum Computing Companies” & “Top 10 Non-Silicon Computing Companies”.

Kvantcomputing virksomhed

1. Alphabet Inc.

Google er meget aktiv inden for kvantecomputing, primært gennem deres Google Quantum AI‑laboratorium og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantecomputer skrev historie i 2019, da den hævdede at have opnået “kvante‑overlegenhed” med sin Sycamore‑maskine. Maskinen udførte en beregning på 200 sekunder, som et konventionelt supercomputer ville have brugt 10.000 år på.

Dette er nu overskygget af dens nyeste chips ydeevne, kaldet Willow. Dette er den allerførste kvante‑computing‑chip med en så lav fejlrate, at jo flere qubits du tilføjer, jo færre fejl får du. Det gør den til det allerførste skalerbare kvante‑chip‑design.

Men måske er Googles største bidrag inden for software, en aktivitet hvor de har en imponerende historik, faktisk bedre end inden for hardware (søgning, G‑Suite, Android osv.).

Allerede nu gør Googles Quantum AI en suite af software tilgængelig, designet til at hjælpe forskere med at udvikle kvante‑algoritmer.

De går også åbent ind for “forsker, ingeniører og udviklere til at slutte sig til os på denne rejse ved at tjekke vores open source‑software og uddannelsesressourcer, inklusive vores nye kursus på Coursera, hvor udviklere kan lære grundlæggende kvante‑fejlkorrektion 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 deres cloud‑løsninger. Google kan blive en af de virksomheder, der fastlægger standarderne for kvante‑computing‑software og kvante‑programmering, hvilket giver dem en privilegeret position til at forme feltets fremtidige udvikling.

Samtidig kan AI‑løsninger, herunder Waymos selvkørende bil, blive den nye indtægtsdriver for Alphabet (GOOG ), som stadig har en massivt dominerende position inden for søge‑ og annonce‑industrien.

Du kan læse mere om Googles ikke‑kvante‑relaterede aktiviteter, især annoncer og AI, 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 routing‑systemer, tjenester og automatiseringssoftware.

Ciena er langt den største virksomhed uden for Kina på det optiske marked, og kontrollerer mere end 25 % af markedet. Den er til stede i 70 lande.

Kilde: Ciena Corporation

Virksomheden ser efterspørgslen efter båndbredde eksplodere 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 udvide til nye markeder, der er relevante for AI‑boom, især på grund af mange AI‑applikationer, der kræver nye lokaliserede datacentre, på grund af love om privatliv og grænseoverskridende dataflow, samt fremkomsten af disaggregere datacentre, der kræver mere optisk netværkskapacitet.

Kilde: Ciena Corporation

Hvis eksisterende netværk af optisk fiber viser sig at være anvendelige til at transmittere kvantedata, kunne dette bevise en ny blomstrende sektor for den optiske netværksindustri. Dette ville gøre fremtiden for sektoren endnu mere lovende, da kvantecomputing kunne give den et enormt løft efter den allerede eksploderende efterspørgsel fra AI‑applikationer.

Studierreference:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). Kvanteteleportation sameksisterende med klassisk kommunikation i optisk fiber. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}